Resumen de Reducción de la intensidad energética en ciclos de calcio para captura de co2 a través de la integración interna de flujos de calor (energy intensity reduction in the calcium looping cycle for co2 capture by internal heat integration)
RESUMEN La presente tesis doctoral pretende colaborar en el desarrollo de una tecnología de captura de CO2 muy prometedora que separa este gas a través de ciclos de carbonatación y calcinación, haciendo uso de sorbentes con base de calcio. El objetivo del trabajo es contribuir a la búsqueda de soluciones técnicas para la mejora de la competitividad de dichos ciclos de calcio. Concretamente, se presentan y analizan varias opciones innovadoras para la reducción de la intensidad energética del sistema a través de la integración interna de flujos de calor.
La investigación ha sido realizada en el Área de Reducción de emisiones en sistemas energéticos (Zero Emissions) del Centro de Investigación de Recursos y Consumos energéticos (Fundación CIRCE). Los estudios de doctorado han sido financiados por el Programa de formación de personal investigador (FPI) del Gobierno de Aragón, de septiembre de 2008 a agosto de 2009, y por el Programa de formación de profesorado universitario (FPU) del Ministerio de ciencia e innovación de España, de septiembre de 2009 a agosto de 2012.
Este trabajo afronta el reto de reducir el consumo específico de energía en los ciclos de calcio para captura de CO2. El uso de sorbentes que trabajan a alta temperatura presenta la ventaja de permitir una integración eficiente de los flujos de calor excedentes del sistema. Hasta ahora, la investigación se ha venido centrando en la integración del ciclo de calcio con otros sistemas externos como los ciclos de vapor. En esta investigación se da un paso más proponiendo soluciones tecnológicas para la integración interna de calor con el objetivo de reducir los consumos energéticos.
El reactor de regeneración supone el mayor consumo energético de los ciclos de calcio.
Además de la reacción endotérmica de calcinación, los sólidos deben ser calentados unos 250-300 ºC. Por tanto, el precalentamiento de las partículas que entran al calcinador se presenta como una buena oportunidad de ahorro energético. En la primera parte de esta tesis, se proponen y analizan las diferentes posibilidades de integración interna de flujos de calor. El principal objetivo es determinar los puntos clave para la operación y las potencialidades de cada propuesta. Como resultado de este estudio se ha publicado el siguiente artículo: i) Martínez A, Lara Y, Lisbona P, Romeo LM. Energy penalty reduction in the calcium looping cycle. International Journal of Greenhouse Gas Control 7 (2012) 74-81.
Los ciclos de calcio pueden ser también aplicados a sistemas de producción de hidrógeno siendo posible, a su vez, realizar captura de CO2. El objetivo de la segunda parte de esta tesis es evaluar el efecto de la integración interna de flujos de calor que se propone, en un proceso de gasificación de biomasa mejorada a través de los ciclos de calcio, para determinar si se obtienen mejores resultados y cuantificar dicha mejora. Esta fase de la investigación fue realizada durante la estancia de investigación en el Institute of Chemical Engineering de la Vienna University of Technology (TU Wien) de Austria, fruto de la cual se publicó el siguiente artículo: ii) Martínez A, Pröll T, Romeo LM. Lime enhanced biomass gasification. Energy penalty reduction by solids preheating in the calciner. International Journal of Hydrogen Energy 37 (2012) 15086-15095.
El precalentador ciclónico y la válvula de mezcla aparecen como las dos opciones más prometedoras para la reducción de la intensidad energética en ciclos de calcio. La configuración que incluye el precalentador ciclónico se muestra como una opción apropiada de acuerdo a los resultados de los análisis iniciales y teniendo en cuenta que la operación de este equipo ha sido ampliamente probada a escala comercial en la industria del cemento. Aunque falta experiencia práctica en el uso de una única válvula de mezcla para alimentar dos reactores de lecho fluido, esta configuración revela un potencial prometedor debido a las excelentes características de intercambio de calor de los flujos de sólidos. La última parte de la presente tesis doctoral se centra en la realización de un análisis en profundidas de ambas configuraciones. El objetivo es avanzar en el desarrollo de configuraciones que reduzcan la intensidad energética de los ciclos de calcio a través de simulaciones más realistas. Esta última fase de la investigación ha dado lugar a la publicación de dos artículos: iii) Martínez A, Lara Y, Lisbona P, Romeo LM. Operation of a Cyclonic Preheater in the Ca-Looping for CO2 Capture. Environmental Science & Technology 47 (2013) 11335- 11341.
iv) Martínez A, Lara Y, Lisbona P, Romeo LM. Operation of a mixing seal valve in the Ca-looping for CO2 capture. Energy & Fuels (2014) http://dx.doi.org/10.1021/ef402487e.
CONCLUSIONES La reducción de la intensidad energética de los ciclos de calcio es el objetivo principal de la presente tesis doctoral. La investigación se ha focalizado en el consumo energético del calcinador debido a que esta es la contribución más importante del sistema. El precalentamiento de los sólidos que entran al calcinador se presenta como la manera más adecuada para lograr el ahorro energético. El uso de un sorbente de alta temperatura, como es el óxido de calcio, permite una integración eficiente de los flujos de calor. En la presente tesis doctoral se ha investigado el uso del calor excedente para el precalentamiento de los sólidos que entran al calcinador con el objetivo de reducir del consumo energético de dicho reactor.
Existen dos flujos capaces de transferir calor a los sólidos que entran al calcinador: el flujo de sorbente sólido regenerado y la corriente de CO2 concentrado. Ambos suponen un flujo de calor significativo a temperatura suficientemente elevada como para calentar los sólidos de salida del carbonatador. El intercambio de calor es técnicamente más sencillo cuando se aprovecha la corriente gaseosa. Sin embargo, los sólidos poseen características favorables para la transferencia de calor que hacen que el intercambio de calor con la corriente de partículas que salen del calcinador sea una opción prometedora.
La investigación se centra en la captura de CO2 en postcombustión. Sin embargo, existen otras aplicaciones de los ciclos de calcio que pueden beneficiarse de la integración interna de flujos de calor que se propone. El precalentamiento de los sólidos a la entrada del calcinador se ha puesto a prueba también en los procesos de gasificación de biomasa mejorada a través de los ciclos de calcio. Los resultados muestran un incremento de 3 puntos porcentuales en el rendimiento químico de la gasificación; una mejora en la producción de hidrógeno con un incremento de un 1,4% de la fracción de H2 y un aumento del 5,7% del poder calorífico inferior; y una reducción del 7,7% de la demanda de oxígeno para el mismo rendimiento de captura de CO2.
El precalentador ciclónico y la válvula de mezcla surgen como las configuraciones más prometedoras. No es sencillo realizar una comparación entre ambas ya que se encuentran en distinto nivel de desarrollo. Los precalentadores ciclónicos son ampliamente utilizados en la industria cementera, mientras que la válvula de mezcla todavía necesita ser analizada experimentalmente. Sin embargo, ambas soluciones presentan buenos resultados en cuanto al ahorro de combustible y oxígeno (entre un 11% y un 15%) y la reducción de la generación de CO2 (entre un 5,3% y un 7,4%) que suponen una reducción significativa de los consumos energéticos de los ciclos de calcio.
La presente tesis doctoral ha contribuido a la reducción de las exigencias energéticas del sistema de captura de CO2. Los ciclos de calcio están atrayendo una gran atención y constituyen uno de los candidatos más prometedores para la captura de CO2 a medio plazo. Indudablemente, todavía es necesario avanzar en el análisis económico y el desarrollo experimental de las propuestas, especialmente en el caso de la válvula de mezcla. Sin embargo, estas innovadoras configuraciones de integración interna de flujos de calor presentan un excelente potencial que puede contribuir a que los ciclos de calcio se conviertan en una tecnología líder de captura de CO2 si se logran operar con éxito en plantas de gran escala.
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