Hydrodynamic characterization and modelling of dual cfb systems for ca-looping co2 capture

Resumen

El calentamiento global que tiene lugar durante el último siglo está directamente ligado con las graves consecuencias derivadas de las emisiones antropogénicas de CO2. Las organizaciones internacionales que lideran la lucha contra el cambio climático han señalado la importancia de la captura y almacenamiento de carbono procedente de grandes fuentes emisoras de CO2 como una medida apropiada para la mitigación del mismo a corto y medio plazo. Existen muy diversas técnicas de captura de CO2 en diferentes niveles de desarrollo. Los sistemas de captura de CO2 a alta temperatura implementados en lechos fluidos circulantes interconectados representan configuraciones innovadoras que pueden llegar a resolver las limitaciones económicas y energéticas intrínsecamente asociadas a otras tecnologías que se encuentran en un estado de desarrollo a nivel comercial. Sin embargo, también presentan nuevos retos desde el punto de vista de su operación a escala piloto y comercial. En este contexto, la presente Tesis Doctoral pretende contribuir dando un paso más en esta direccion. El capítulo 2 presenta en detalle los fundamentos técnicos y los trabajos realizados hasta el momento en el ámbito de los ciclos de carbonatación/calcinación, mediante la descripción de las variables con mayor influencia en este sistema y la presentación de las configuraciones más extendidas de lechos fluidos circulantes interconectados. Dado que una planta de captura de CO2 está necesariamente ligada a una gran fuente emisora de este gas, se ha considerado más adecuado realizar los estudios termodinámicos y económicos de un sistema que incluya el proceso de captura mediante el ciclo de carbonatación/calcinación, una central térmica existente cuyos gases de combustión alimentan al proceso y una nueva central térmica que aprovecha los calores residuales de alto contenido energético procedentes del ciclo de captura. El efecto sobre el coste de CO2 evitado y sobre la eciencia energética del sistema global de los diferentes parámetros que influyen en la operación se evalúa a través de estudios de sensibilidad preliminares aplicados a dicho sistema global. La influencia de las características del sorbente utilizado en la integración energética y la estructura de costes también es analizada. Los resultados y conclusiones de estos análisis sirven para definir las ventanas de operación que llevan a alcanzar un proceso de captura eciente y económicamente viable. Otras dos aplicaciones potenciales del ciclo de carbonatación/calcinación se evalúan en el apendice A: sinergia con plantas cementeras y acoplamiento con un sistema de captura en precombustión. Es un aspecto clave para el correcto funcionamiento de este proceso que las ventanas de operación que optimizan el coste de CO2 evitado y minimizan la penalización energética de la central térmica asociada estén en concordancia con el comportamiento hidrodinámico de los reactores de lecho fluido circulante utilizados para el diseño la configuración. Con la intención de validar un nuevo modelo hidrodinámico, se ha diseñado, construido y operado una instalación de flujo frío a escala de laboratorio que permite reproducir el comportamiento de un lecho fluido circulante independiente (LFC) o dos lechos fluidos circulantes interconectados (dLFC). El capítulo 3 facilita la información sobre las fases de diseño, de construcción, de puesta en marcha y de operación. La información referente al diseño de la misma se plantea desde los puntos de vista de scale-up del proceso a mayores tamaños y de scaling o escalado para reproducir el comportamiento de plantas semejantes. Las pruebas experimentales se han realizado con un enfoque de scale-up del proceso. A pesar de ello, se presenta también un estudio de escalado de las condiciones de operación. La última parte del capítulo describe los resultados del trabajo experimental para las configuraciones LFC y dLFC, y la caracterización empírica de la hidrodinámica de los diferentes elementos. El capítulo 4 introduce los aspectos fundamentales de la hidrodinámica de los lechos fluidos circulantes. Incluye, además, el modelo matemático que describe la hidrodinámica de cada uno de los elementos que componen la instalación de flujo frío de lechos fluidos circulantes interconectados. El modelo está validado mediante resultados experimentales obtenidos en diferentes bloques de pruebas, presentando buenas aproximaciones de los perfiles axiales de presión, de las velocidades de circulación neta de sólidos, de la distribución del inventario de sólidos y de la distribución del tamaño de partícula en distintos puntos de la instalación para las dos configuraciones estudiadas. Se puede realizar el escalado de estos resultados experimentales a mayores tamaños y validar los mismos con resultados obtenidos en plantas piloto del ciclo de carbonatación/calcinación. Por último, el capítulo 5 resume y presenta una discusión general de los resultados más relevantes obtenidos en esta Tesis Doctoral como reflexión del trabajo total desarrollado. Esta reflexión incluye además recomendaciones para continuar la presente investigación e indentifica posibles nuevas líneas de trabajo.