Optimización del aprovechamiento energético del ciclo de carbonatación-calcinación para captura de co2 (optimization of energy use from carbonation-calcination cycle for co2 capture)
- Autores: Yolanda Lara Doñate
- Directores de la Tesis: Luis Miguel Romeo Gimenez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Umberto Desideri (presid.), Luis Ignacio Díez Pinilla (secret.), José Manuel Valverde Millán (voc.)
- Materias:
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- Resumen
Resumen Según la Agencia Internacional de la Energía, las emisiones globales de CO2 procedentes de combustibles fósiles alcanzaron un record de 31.6 Gt en 2012. La captura y el almacenamiento de CO2 se considera parte esencial del conjunto de tecnologías necesarias para reducir las emisiones de CO2 a medio plazo.
El propósito de la captura de CO2 es producir una corriente concentrada de CO2 a alta presión que pueda ser transportada para su almacenamiento o utilización posterior. Actualmente, estas tecnologías son la única opción de reducción de emisiones a gran escala en sectores industriales que, a día de hoy, representan una quinta parte de las emisiones globales de CO2.
Existen distintas tecnologías de captura clasificadas en base a la localización de la etapa de separación del CO2 (precombustión, oxicombustión y postcombustión). La selección de la tecnología adecuada depende de las propiedades del gas (temperatura, presión, concentración y caudal volumétrico).
Entre las opciones emergentes de procesos de captura de CO2, los ciclos basados en sorbentes que trabajan a altas temperaturas presentan excelentes perspectivas: no se necesita pretratamiento de los gases de combustión y tienen grandes posibilidades de integración, lo que limitaría la penalización energética asociada a cualquier sistema de captura. En este grupo se enmarcan los ciclos de calcio, basados en la reversibilidad de la reacción entre el CaO y CO2. En la reacción de carbonatación (exotérmica, 650ºC), el CaO reacciona con el CO2, capturándolo, mientras que en la reacción de calcinación (endotérmica, 930ºC), el carbonato de calcio se descompone en CaO y CO2, regenerando el sorbente.
Uno de los aspectos críticos de estos procesos tiene que ver con la eficiencia de conversión del sorbente en condiciones de operación, y la disminución de la misma conforme aumenta el número de ciclos, hasta estabilizarse en un valor de conversión residual. Esta desactivación del sorbente es un parámetro clave que influye tanto en el coste como en los requerimientos energéticos del sistema. Debido a esta pérdida de actividad es necesario introducir caliza fresca en el calcinador y realizar una purga, para compensar la degradación del sorbente y la acumulación de material inerte en el sistema.
Dado que el proceso tiene lugar a alta temperatura, hay una gran cantidad de calor residual que puede ser recuperado, bien para aumentar la eficiencia de la planta de producción de electricidad existente, bien para producir vapor en un nuevo ciclo de potencia.
Al ser un proceso de captura en post-combustión, necesita estar asociado a una fuente de emisiones; por lo que se requiere una planta de generación de potencia que proporcione los gases de combustión a tratar en el ciclo de captura, del cual el CO2 sale a presión atmosférica. Dado que el transporte de CO2 tiene que realizarse a altas presiones, se requiere un tren de compresión para el acondicionamiento del gas. La recuperación de la energía de alta temperatura de estos procesos para producir potencia y reducir la penalización energética es también un elemento esencial para el sistema.
En esta tesis se ha planteado un sistema global compuesto de los siguientes elementos: una planta de referencia que proporciona los gases de combustión a tratar; el ciclo de captura de CO2; un tren de compresión y un ciclo de vapor supercrítico que aprovecha la energía residual del resto de procesos. El objetivo principal es obtener una configuración óptima y novedosa del sistema global que aúne las mejores condiciones posibles a nivel energético, exergético y económico.
Al ser un sistema complejo compuesto por diferentes subsistemas se han definido dos partes principales: (i) análisis referidos a modificaciones en el ciclo de captura y su influencia en el conjunto del sistema, cuantificada en términos de coste del CO2 evitado (Manuscritos I, II y III), y (ii) estudio y desarrollo de una metodología de integración energética para maximizar el aprovechamiento de energía en el ciclo de vapor supercrítico, analizado en términos de eficiencia del ciclo (Manuscritos IV y V).
La conversión del sorbente y los requerimientos energéticos para la regeneración del mismo son variables clave en el funcionamiento de estos sistemas de captura. La ratio CaO/CO2 y la purga de sólidos tienen una importante influencia en estas variables. Elevadas ratios CaO/CO2 en el carbonatador mejoran la capacidad de conversión pero a su vez incrementan los costes de capital y operación del sistema debido a un aumento de la circulación de sólidos. Una purga elevada también mejora la eficiencia de captura de CO2; pero aumenta los requerimientos energéticos en el calcinador y las cantidades necesarias de sorbente fresco, con lo que aumenta el coste. La purga es necesaria para reducir la desactivación del sorbente y para compensar la formación de CaSO4 al reaccionar con el SOx contenido en los gases de combustión. En el Manuscrito I se analizó la influencia de estas variables en el coste del CO2 evitado del sistema, y se hallaron los pares de valores de purga (2.5 %) y ratio (5) que minimizaban este coste.
La disminución de la capacidad de carbonatación conforme aumenta el número de ciclos fue analizada en los Manuscritos II y III. El Manuscrito II estudia la competitividad de calizas mejoradas. Por primera vez se calculó el precio máximo admisible a pagar por sorbentes mejorados para lograr una reducción en el coste del CO2 bajo diferentes condiciones de purga y circulación de sólidos, con el objetivo de delimitar qué precios son competitivos frente a la caliza en este tipo de sistemas.
El Manuscrito III fue el primero en analizar el comportamiento en el sistema global de otros sorbentes, como caliza dopada, dolomita y sorbentes sintéticos. En la mayoría de los casos, la mejora de la capacidad de conversión aumentaba el coste del sorbente y, por tanto, los costes de operación del sistema y el coste del CO2 evitado. En este trabajo se analizó el comportamiento químico y mecánico de distintos sorbentes con el objetivo de comparar el coste del CO2 evitado en función de la capacidad de conversión de los sólidos y el coste del sorbente.
Uno de los grandes desafíos de las tecnologías de captura tiene que ver con la penalización energética asociada a los procesos de separación y compresión del CO2. Debido a ello, la integración energética juega un papel esencial en la mejora de la eficiencia de estos sistemas. Los sistemas de captura de CO2 basados en ciclos de calcio presentan un importante potencial para la integración energética debido a sus grandes excedentes de calor a alta temperatura.
Mientras que el modelo inicial del ciclo de captura de CO2 evolucionó a lo largo de los manuscritos I-III, la red de intercambiadores que definía el ciclo de vapor supercrítico se mantuvo constante. Tomando esta integración como el caso base, se realizó un análisis aplicando la metodología pinch para mejorar la red de intercambiadores inicial. Se analizaron cuatro configuraciones que integraban la misma cantidad de energía que el caso base. El diseño y análisis de estas configuraciones para determinar, en base a criterios energéticos, exergéticos y económicos, la óptima para el sistema, fue llevado a cabo en el manuscrito IV, observándose una mejora en la eficiencia del ciclo del 2.85% tras el rediseño de la red.
Finalmente, en el manuscrito V se propone por primera vez un procedimiento basado en el análisis pinch para la integración de estos sistemas, que fue analizado en dos casos diferentes. En ambos escenarios, la integración fue diseñada para aprovechar todo el calor disponible en el proceso en el ciclo de vapor supercrítico. Se realizó un análisis de sensibilidad para cada uno de los escenarios, y la red de intercambiadores de calor obtenida mediante la aplicación del algoritmo propuesto obtuvo los mejores resultados en términos económicos.
Los Manuscritos I, II y III estudian la influencia del ciclo de captura en el coste de CO2 evitado del sistema global. Una vez establecido el par purga/ratio CaO/CO2 para minimizar el coste de CO2 evitado (Manuscrito I), se ha desarrollado una nueva metodología para evaluar la idoneidad económica de un sorbente en base a su conversión inicial y su tasa de conversión residual (Manuscrito II); y se ha analizado el comportamiento de diferentes sorbentes (Manuscrito III). En los Manuscritos IV y V se estudia el proceso de integración de las corrientes energéticas del sistema, empleando criterios energéticos, exergéticos y económicos (Manuscrito IV), y se desarrolla una metodología para definir la integración de sistemas de gran contenido energético -como los de carbonatación-calcinación- para obtener una integración eficiente y económica (Manuscrito V).
El objetivo de esta tesis es proponer una forma novedosa de aplicar la tecnología de captura de CO2 mediante ciclos de calcio a los gases de combustión provenientes de una planta de producción de electricidad; integrando los flujos energéticos de los procesos de captura y compresión del CO2 en un nuevo ciclo de potencia supercrítico que genera electricidad extra; obteniendo una configuración que aúne las mejores condiciones disponibles a nivel energético, exergético y económico.
Conclusiones El trabajo descrito en esta tesis doctoral está basado en el estudio y desarrollo de modelos matemáticos de un proceso de captura de CO2 mediante ciclos de calcio y la integración del mismo con una planta de vapor supercrítica. El estudio se ha basado en el análisis de un sistema global que comprende la captura y compresión del CO2, que abandona el sistema listo para ser transportado, así como la integración del calor residual proveniente de estos procesos en un ciclo de potencia supercrítico.
El binomio purga de sólidos-ratio CaO/CO2 se ha demostrado fundamental para el sistema en términos de coste del CO2 evitado. Se ha obtenido que altas ratios CaO/CO2 y bajos porcentajes de purga definen una ventana de operación para alcanzar una captura eficiente económicamente.
Se ha desarrollado una herramienta novedosa para evaluar la competitividad de los sorbentes con comportamientos mejorados de sorción en comparación con la caliza normal. Se ha obtenido que, para conseguir una reducción del coste de captura de CO2, existe un precio máximo admisible para este tipo de sorbentes. Esta herramienta permite evaluar si un sorbente mejorado, con mayor capacidad de conversión que la caliza normal, es eficiente económicamente en el sistema global.
El coste unitario del sorbente siempre debe ser tenido en cuenta a la hora de desarrollar nuevos sorbentes para la captura de CO2. El modelo integra el coste unitario y el comportamiento químico y mecánico de diferentes sorbentes. Se comprobó que los sorbentes sintéticos presentan mejores condiciones si se usan con valores de purga muy bajos esto es; este tipo de sorbentes serían más adecuados en sistemas que trabajen con combustibles libres de ceniza, como el gas natural, para mantener los niveles de purga muy bajos.
No sólo los parámetros de operación del proceso de captura son importantes para el sistema; sino que la integración de los calores residuales del mismo para reducir al máximo la penalización energética es crucial para el proceso. Si la integración no se desarolla de un modo adecuado, puede dar lugar a un sistema poco eficiente. Por primera vez se ha desarrollado un procedimiento basado en análisis energéticos, exergéticos y económicos para definir la integración de sistemas de captura de CO2 a alta temperatura. Este procedimiento sistemático permite diseñar rápidamente una red de intercambiadores eficiente tanto energética como económicamente para este tipo de sistemas, a pesar del alto número de corrientes energéticas involucradas.
Mediante esta concepción de un sistema global se han obtenido una serie de herramientas para diseñar un proceso eficiente de captura de CO2 basado en ciclos de calcio, integrando la mayor cantidad posible de energía, y minimizando la penalización energética asociada.
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