Estudio de optimización de los ciclos de calcinación carbonatación para la captura de CO2 en Centrales Térmicas de Carbón

Quesada Carballo, Luis (2019). Estudio de optimización de los ciclos de calcinación carbonatación para la captura de CO2 en Centrales Térmicas de Carbón. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. de Minas y Energía (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.57691.

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Title: Estudio de optimización de los ciclos de calcinación carbonatación para la captura de CO2 en Centrales Térmicas de Carbón
Author/s:
  • Quesada Carballo, Luis
Contributor/s:
  • Ortega Romero, Marcelo Fabián
  • Fernández Rodríguez, Jose María
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. de Minas y Energía (UPM)
Department: Energía y Combustibles
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

En esta tesis doctoral se pretende optimizar el uso de la tecnología de ciclos de calcinación-carbonatación con Calcita para la captura de CO2 en centrales térmicas de carbón. Se han estudiado tres tamaños de partícula diferentes: 0,5 mm, 0,1 mm y 0,045 mm. La calcinación tuvo un efecto mínimo sobre el tamaño de partícula de las muestras más pequeñas A1045 y A1M1 (<30 μm). Las isotermas de N2 y las de adsorción de CO2 a 0 C mostraron un aumento muy significativo en la superficie de las muestras calcinadas y rehidratadas (A15CH, A1045CH y A1M1CH) respecto a las muestras calcinadas u originales. También, se observa el mismo valor del diámetro medio de poro (3,97 nm) en las muestras de menor tamaño promedio (A045CH y A1M1CH). Los resultados mostraron que la captura de CO2 para la muestra A1M1, con un tamaño de partícula promedio más pequeño (<30 micras), es la más efectiva. Para la muestra A1M1 calcinada y completamente rehidratada (Ca(OH)2), la adsorción química de CO2 para formar CaCO3 es prácticamente total en las condiciones experimentales (550 C y flujo de CO2 de 20 ml/min). La carbonatación con CaO al mismo tiempo que el Ca(OH)2 se descompuso en CaO (481 C) y agua, resultó ser muy efectiva. El aumento de peso fue de 34.11%, muy cercano a la capacidad teórica de 35.11% y la capacidad de adsorción fue de 577.00 mg/g cerca del máximo teórico de 593.95 mg/g. El experimento se repitió 10 veces con la misma muestra A1M1 calcinada y rehidratada. No se observó una pérdida apreciable de la capacidad de adsorción, lo que demuestra que la sinterización es prácticamente insignificante. Con estos resultados se definió un diseño de implantación basado en ciclos de adsorción/desorción con calcita en una instalación térmica de carbón tipo. El diseño usó la granulometría de la muestra más efectiva e incorpora la hidratación previa al proceso de carbonatación. La carbonatación se produce por la elevación de la temperatura de 320 C a 550 C. Se realizaron tres simulaciones en el software ASPEN PLUS incorporando distintas opciones de calcinación buscando el menor consumo energético posible. La opción más eficiente es la que incorpora un reactor de oxidación parcial y reformado de CH4. Su eficiencia fue mejorada incorporando dos reactores más, uno de metanización produciendo CH4 (reduciendo el consumo de combustible) y otro de desplazamiento agua-gas que produce H2 y CO2. ----------ABSTRACT---------- This work aims to optimize the use of the technology of cycles of calcination/carbonation with calcite for to capture CO2 in coal power stations. Three different particle sizes 0.5 mm, 0.1 mm and 0.045 mm have been studied. The calcination had a minimal effect on the particle size of the smaller samples A1045 and A1M1 (<30 μm). The N2 isotherms and the CO2 adsorption isotherms at 0 C showed a very significant increase in the surface of the calcined and rehydrated samples (A15CH, A1045CH and A1M1CH) with respect to the calcined or original samples. Also, in the samples of smaller average size (A045CH and A1M1CH), the same value of average pore diameter (3.97 nm) was observed. The results obtained showed that the capture of CO2 for the sample A1M1, with a smaller average particle size (<30 microns), was the most effective. For the sample A1M1 calcined and completely rehydrated (Ca(OH)2), the chemical adsorption of CO2 to form CaCO3 was practically total, in the experimental conditions (550 C and CO2 flow of 20 mL/min). At the same time that Ca(OH)2 was decomposed to CaO (481 C), solid-gas carbonation turned out to be very effective. The weight increase was 34.11 %, very close to the theoretical capacity of 35.11 % and the adsorption capacity was 577.00 mg/g close to the theoretical maximum of 593.95 mg/g. The experiment was repeated 10 times with the same sample A1M1 calcined and rehydrated. No appreciable loss of adsorption capacity was observed, which shows that sintering is practically negligible. With these results was defined a design adequate of implantation of a system of CO2 capture based in cycles of desorption / adsorption with Calcite in a coal thermal power plant typical. The design use the granulometric sample more effective and incorporates prior hydration to the carbonation process. The carbonation is produced by elevation of temperature from 320 C to 550 C. Three simulations in the software Aspen Plus introducing different options of calcination for the lowest energetic consumption were made. The more efficient process is to use a reactor of partial oxidation and reforming of methane. Their performance has enhanced incorporating two other reactors, the one for the methanization reactions producing CH4 (reducing the consumption of fuel) and other for to water-gas shift reactions which will use CO and H2O coming from of last reactor for to produce H2 and CO2.

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Item ID: 57691
DC Identifier: http://oa.upm.es/57691/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57691
DOI: 10.20868/UPM.thesis.57691
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 15 Jan 2020 07:38
Last Modified: 15 Jul 2020 22:30
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