Experimental study of a CO2 capture technology based on chemical absorption under partial oxy-combustion conditions
- Autores: Fernando Vega Borrero
- Directores de la Tesis: Vicente J. Cortés Galeano (dir. tes.), Benito Navarrete Rubia (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Número de páginas: 265
- Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Cañadas Serrano (presid.), Francisco Rodríguez Barea (secret.), Mónica Lupión Cordero (voc.), Luis Miguel Romeo Gimenez (voc.), Juan Carlos Ballesteros Aparicio (voc.)
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
- español
El trabajo de tesis doctoral recogido en este documento surge a la raíz de la consecución de una ayuda dentro de la convocatoria de Proyectos de Excelencia de la Junta de Andalucía en 2011 (Proyecto HIBRICAP, ref. RNM-7911), en el que su principal objetivo consistió en disponer y validar una nueva tecnología de captura y almacenamiento de CO2 que pueda ser competitiva frente a las alternativas actualmente existentes, principalmente aquellas basadas en tecnologías de post-combustión y oxicombustión. Esta novedosa tecnología, denominada oxycombustión parcial, se basa en el uso de aire enriquecido como comburente para producir una corriente de flue gas de elevada concentración de CO2 que, posteriormente, puede ser separado mediante el uso de procesos convencionales. En particular, la tesis se ha centrado en el estudio del comportamiento de absorbentes químicos de CO2 en concentraciones de CO2 superiores a las obtenidas en procesos de combustión convencionales, es decir, superiores al 15%v/v CO2, y su ensayo en una planta a escala laboratorio. En primer lugar, se realizó una exhaustiva búsqueda bibliografíca sobre los procesos de captura de CO2 actualmente disponibles o en desarrollo. Información sobre las políticas energéticas y proyectos a escala demostración a nivel mundial ha sido fue incluida. En base a esta revisión del estado actual de la técnica, se obtuvo una amplia documentación de los procesos de absorción química de CO2 y, en particular, sobre la aplicación de ésta en procesos de captura y almacenamiento de CO2. Se ha recopilado una gran cantidad de información sobre la caracterización de absorbentes tradicionales en condiciones de post-combustión, así como diferentes configuraciones del proceso de captura convencional susceptibles de ser aplicados en esta tecnología. El estado del arte concluyó con una descripción del estado actual de la técnica en cuanto a procesos de captura en oxicombustión parcial, lo que ha permitido evaluar las necesidades investigadoras en este campo. Un total de 11 absorbentes fueron seleccionados de entre todos los referenciados en la literatura especializada, cubriendo todo el abanico de posibilidades en cuanto a tipología de absorbentes: aminas primarias, secundarias, terciarias, diaminas, cíclicas y aminas con impedimento estérico, así como absorbentes de base no amínica como el carbonato potásico. Se realizó una caracterización de las principales propiedades físico-químicas de estos absorbentes y se evaluó su comportamiento cinético a diferentes concentraciones de CO2 en fase gas. Mejoras sustanciales del comportamiento cinético de los absorbentes fueron observadas de forma general en todos los absorbentes estudiados, encontrando un mayor incremento cinético cuando 40%v/v CO2 fue usado como composición del flue gas. Además, el empleo de corrientes de gas con elevada concentración de CO2 redujo en un 50% la degradación de MEA en condiciones de absorción. A partir de esta caracterización, se definieron 8 mezclas de absorbentes especialmente diseñadas para operar en condiciones de alta concentración de CO2. Las mezclas fueron ideadas con el propósito de conseguir un comportamiento elástico de los absorbentes que permitiera una mayor flexibilidad en procesos de absorción-desorción ante la presencia de altas concentraciones de CO2. De entre todas las mezclas propuestas, se seleccionaron las 3 que obtuvieron un mejor comportamiento en condiciones de oxicombustión parcial, denominados partial oxycombustion solvents: POS #2, POS #7 y POS #8. Las mezclas absorbentes seleccionadas fueron estudiadas en una planta de ensayos de captura de CO2 a escala laboratorio disponible en los laboratorios del departamento. Una profunda reestructuración y mantenimiento fue llevada a cabo durante el desarrollo de esta tesis para poder realizar los ensayos en los rangos operativos requeridos. Los manuales de operación, puesta en marcha y parada también fueron elaborados para garantizar una máxima operatividad de la planta desde un punto de vista tanto funcional como de seguridad en la operación. En esta instalación se ejecutó en plan de pruebas experimental, el cual comprendió ensayos usando MEA 30%p/p como referencia y los absorbentes citados anteriormente. Además de los diferentes grados de oxicombustión parcial, otras variables fueron analizadas como el número de lechos del absorbedor, la presión y temperatura del stripper. Los principales resultados obtenidos se resumen a continuación. La ejecución de la captura de CO2 mediante absorción química usando MEA 30%p/p en condiciones de oxicombustión parcial supuso una reducción significativa de los consumos específicos asociados a la regeneración del absorbente. En concreto, el uso de flue gas con concentraciones superiores al 40%v/v CO2 redujo en más de un 40% los consumos específicos obtenidos para el caso base, definido como un proceso de captura de CO2 en condiciones de post-combustión. Estos consumos fueron aún más reducidos cuando se trabajó en base a un procedimiento operacional optimizado para condiciones de oxicombustión parcial desarrollado en esta tesis y denominado Shift to Low Temperature (StLT). El consumo específico conseguido con el absorbente base fue reducido 10 puntos más al operar con este nuevo modo de operación. En el caso de las mezclas propuestas, el absorbente POS #8 obtuvo el menor consumo específico en una operación al 40%v/v CO2, situándose en torno a 4.5 GJ/t CO2 frente a los 5.5 GJ/t CO2 obtenidos para MEA 30%p/p. En el caso de una operación con un 60% CO2, POS #7 obtuvo el menor consumo, de 3,8 GJ/t CO2, frente a los 4,7 GJ/t CO2 obtenidos para el caso con MEA. Este valor supuso una reducción de más de un 60% en el consumo específico en la desorción del absorbente frente al caso en post-combustión usando MEA 30%p/p como absorbente. Este trabajo de tesis doctoral ha demostrado la viabilidad de un proceso de captura de CO2 basado en oxicombustión parcial a escala laboratorio y que puede llegar a ser aplicable a procesos industriales, principalmente a la producción de energía eléctrica. Esta tesis confirma a la oxicombustión parcial como una alternativa prometedora en este campo. Los resultados obtenidos deberán ser refrendados en investigaciones a una escala superior para poder mostrar su competitividad frente a otras alternativas más maduras en este sector.
- English
The thesis presented in this document comes to the root of the achievement of aid within the call Project Excellence Andalusia in 2011 (HIBRICAP Project, ref. RNM‐7911), in which the main objective was to provide and validate a new technology for CO2 capture and storage that can be competitive with existing alternatives, mainly those based on post‐combustion technologies and oxycombustion. This novel technology, namely partial oxycombustión, is based on the use of enriched air as oxidant to produce a flue gas containing a high concentration of CO2, which then can be separated using conventional processes. In particular, the thesis has focused on the study of the behavior of CO2 chemical absorbents under CO2 concentrations higher than those obtained from conventional combustion processes, ie over 15%v/v CO2, and its evaluation in a lab‐scale rig. Firstly, a thorough literature search on CO2 capture processes currently available or under development was performed. Information on energy policies and demonstration projects worldwide scale has been was include. Based on this review of the current state of the art, comprehensive documentation of the processes of CO2 chemical absorption was obtained and, in particular, on industrial commercialization of CCS tecnologies. Valuable data from characterization of traditional solvents in post‐combustion and different configurations of conventional capture process could be applied in this technology were obtained. The state of the art concluded with a description of the current state of the art for partial oxycombustion process, allowing assess research needs in this field. A total of 11 absorbers were selected from the literature, covering the whole range of possibilities in terms of type of absorbent: primary, secondary, tertiary, diamines, cyclic and steric hindered amines, as well as different sovents from amine‐based solvents such as potassium carbonate. A characterization of the major properties of these solvents was performed and their kinetic behavior was evaluated at different concentrations of CO2 in flue gas. In general, substantial improvements on the kinetic behavior were observed in all studied solvents. It should be noted that a greater kinetic increase when 40%v/v CO2 was used as the flue gas composition. Furthermore, the use of flue gas containing elevated CO2 concentrations reduced a 50% the MEA degradation process at absorption conditions. Once the solvent characterization was concluded, 8 solvent blends specially designed to operate under high CO2 concentration were defined. The blends were designed to achieve s ‘springy’ behavior of the solvent that allows a greater flexibility in absorption‐desorption processes before presence of high CO2 concentrations. 3 novel blends were chosen from the initial proposed blends which obtained a better performance under partial oxycombustion conditions. They were named partial oxycombustion solvents: POS # 2 POS POS # 7 and # 8. he selected blends were studied in a lab‐scale CO2 plant available in the laboratories of the department. A deep restructuring and maintenance was carried out during the this thesis in order to perform the experimental test planning in terms of operating ranges. Operating, start‐up and shutdown manuals were also defined to ensure an optimal operation of the labscale plant from the point of view of both feasibility and safety. In this installation, the experimental test plan were executed in which MEA 30wt% and the above‐mentioned solvents were used. Four levels of partial oxycombustion were studied. In addition, other variables were analyzed such as the number of random packing beds in the absorber, the stripper pressure and temperature. The main results are summarized below. The implementation of a CO2 capture process based on chemical absorpion using MEA 30wt% provided a significant reduction in specific consumption associated with the solvent regeneration at the stripper unit. In particular, the use of flue gas concentrations above 40%v/v CO2 reduced over 40% the specific consumption obtained for the reference case, defined as a CO2 capture process based on post‐combustion. These consumptions were further reduced in case the operation was changed to a new optimized conditions designed for partial oxycombustion conditions, completely developed in this thesis. This new operational procedure was named Shift to Low Temperature (STLT). The specific consumption achieved with MEA 30wt% was reduced 10 points over those results from conventional partial oxycombustion operations. In the case of the proposed mixtures, solvent POS # 8 had the lowest specific consumption in an operation at 40% v/v CO2, hovering the reboiler duty below 4.5 GJ / t CO2 compared to 5.5 GJ / t CO2 obtained from MEA 30wt% experiments. In the case of an operation with 60%v/v CO2, POS #7 had the lowest consumption of 3.8 GJ/t CO2, compared to 4.7 GJ / t CO2 obtained for the same case using the reference solvent. This value led to a reduction of over 60% in specific consumption during the solvent regeneration compared with the reference case using MEA 30wt% under post‐combustion conditions. The thesis has demonstrated the feasibility of a CO2 capture process based on partial oxycombustion at laboratory scale. This novel CO2 capture process can be applied to industrial processes, mainly focused to energy production applications. The results confirms partial oxicombustión as a promising alternative in the field of CCS technologies. However, those promising results should be evaluated at a larger scale in order to verify their competitiveness with the more mature alternatives in CCS, post‐combustion and oxycombustion tecnologies.
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