Oxicombustión: Una alternativa para la captura de CO 2 y la transformación del proceso productivo tradicional del cemento.

Transcripción

1 Oxicombustión: Una alternativa para la captura de CO 2 y la transformación del proceso productivo tradicional del cemento. FICEM-APCAC San Jose (Costa Rica), Septiembre

2 CONTENIDO 1. Oxicombustión Oxicombustión-Enriquecimiento con O 2. Marco teórico y Actores Objetivos Alcance 2. Desarrollo de la iniciativa Metodología Resultados 3. Conclusiones 4. Recomendaciones. 2

3 Oxicombustión Oxicombustion vs Enriquecimiento Marco teórico Objetivo Alcance

4 Oxicombustión-Enriquecimiento con O 2 diferentes? CH4 + H2O CO + 3 H2 CO + H2O CO2 + H2 IPCC 2005 / CCP Oxi-combustión: Tecnología que involucra altas concentraciones de O 2 en un ambiente que usa CO 2 como gas de balance Enriquecimiento con O 2 : Tecnología que consiste en aumentar en un porcentaje (3-5%) el volumen de oxigeno para mejorar la combustión. 4

5 Marco teórico Conversión del carbón Atmósferas Oxi-Combustión T partícula Proceso La oxicombustión se concibe como una alimentación de O 2 en alta concentración acompañada de gases de combustión recirculados. Como componente principal se encuentra el CO 2, pequeñas cantidades de NO x, CO, H 2 O y otros [1], posibilidad de menor consumo de energía y facilita la captura de CO 2 en chimenea. UdeA - UNALMED 5

6 Objetivos Determinar la variación de los parámetros básicos de combustión de carbón en lecho fluidizado en la metodología convencional con aire y en oxi-combustión en lecho fluidizado. 1. Evaluar el efecto de diferentes atmósferas de combustión (Experimental) 2. Analizar las variaciones en los perfiles de conversión de semicoque de carbón (Experimental) 3. Evaluar las diferencias en la temperatura de partícula (Experimental) 4. Evaluación termodinámica y económica preliminar de la viabilidad técnica (Modelado). 6

7 Alcance Desde la evaluación teórica experimental de la oxicombustión, hasta la evaluación teórica de la implementación industrial. Los parámetros a determinar serían: conversión (eficiencia), perfiles de temperatura, temperatura de ignición, emisiones de NO X y SO X (estos dependen del tipo de combustible a emplear). 7

8 Desarrollo del proyecto Metodología. Resultados. Recomendaciones.

9 Metodología Fase experimental: 1. Caracterización del material carbonoso. 2. Determinación de las características de combustión. 3. Determinación de la temperatura de partícula. 50O 2 /50CO 2 40O 2 /60CO 2 30O 2 /70CO 2 CO 25O 2 /75CO 2 21O 2 /79CO 2 9

10 Resultados Fase experimental: 2. Determinación de las características de combustión. Baja T de inicio de la reacción Aumenta la conversión 10

11 Resultados Fase experimental: 3. Determinación de la temperatura de partícula (Tp). Enriquecimiento Mayor Tp con mayor oxígeno Blanco El aire enriquecido presenta mayor Tp que usando CO 2, debido a la Cp del CO 2 11

12 Metodología Fase modelado: 1. Modelo Global. 2. Modelo unidimensional. 3. CFD. 4. Modelo económico Intercambiador de calor 2 Rg Gg N 2 Sg Aire ASU O 2 GAP GS: Gas secundario GAP: Gas arrastre primario Carbón GS CO 2 H 2 O Intercambiador de calor 1 12

13 Resultados Fase modelado: 1. Modelo Global. Busca determinar el % de O2 y recirculación en el proceso global. GS: Gas secundario GAP: Gas arrastre primario Intercambiador de calor 2 Rg Gg N 2 Sg Aire ASU O 2 GAP Carbón GS CO 2 H 2 O Intercambiador de calor 1 y O2 = 0.32 %R= 60-68% 13

14 Resultados Fase modelado: 2. Modelo unidimensional. Evalúa efectos dinámicos, geométricos y cinéticos en el horno. Aislante Metal Refractario Gases CO 2,H 2 O q r q h Sólidos q r q h q r q h q c q c q r q h El modelo formulado predice el comportamiento observado experimentalmente en cuanto a la distribución axial de temperatura (datos experimentales reportados por Watkinson & Brimacombe). 14

15 Resultados Fase modelado: 3. CFD. Se usa para estudiar la dinámica de los fluidos al interior del horno. Prima la radiación. Menor longitud de llama. 15

16 Resultados Fase modelado: 4. Modelo económico, estimación del costo: Tecnología Pureza del oxígeno (% v/v) Capacidad (ton O 2 / día) Consumo energético (kwh / ton O 2 ) Separación criogénica < 99 < Adsorción por cambio de presión PSA < Adsorción por cambio de presión con vacío VPSA < Sistema de membranas < 99 < m (%) Costo oxígeno ($/ ton clinker) Costo total ($/ ton clinker) E ASU = E ASU = Max incremento de masa 12.5% Se toma como base de comparación un Costo operativo que valora solo lo relacionado con el combustible (asumiendo los otros costos constantes) obteniendo: $30851/tcker 16

17 Conclusiones Recomendaciones

18 Conclusiones O 2 Velocidad conversión(vpm) Tiempo de combustión T inicio reacción La T partícula (Tp) Limitar entre 60-68% la recirculación de gases, logrando igual transferencia de calor por convección que el proceso con aire. Incrementa y mejora la transferencia de calor por radiación. Se generan llamas cortas y de mayor temperatura. Incremento de la carga hasta 12.5%, Se obtiene un gas con altas concentraciones de CO 2. Incrementa el costo 27% 18

19 Recomendaciones Se recomienda estudiar la oxicombustión usando combustibles alternativos, su bajo costo compensaría el alto coste de la unidad de separación de aire. Se recomienda considerar la oxicombustión como alternativa para la captura de CO 2. Se recomienda profundizar en las necesidades de equipos y modificaciones de proceso, ya que la oxicombustión implica cambios relevantes de diseño. Se recomienda considerar el enriquecimiento con O 2, puede ser de fácil adaptación en los sistemas de producción existentes y tiene beneficios potenciales en aumento de producción usando una menor proporción de O 2. 19

20 GRACIAS