Separación de NO2 mediante adsorción selectiva de gas de combustión derivado de oxi-combustibles.

Un método para separar al menos NO2 de un gas de alimentación de dióxido de carbono que comprende NOx y al menos un gas no condensable como contaminantes,

comprendiendo dicho método:

hacer pasar dicho gas de alimentación de dióxido de carbono, a una primera presión elevada, a través de un primer sistema de adsorción que adsorbe selectivamente al menos NO2 para producir dióxido de carbono gaseoso al menos sustancialmente exento de NO2, comprendiendo el primer sistema de adsorción al menos un lecho adsorbente;

purificar dicho dióxido de carbono gaseoso, al menos sustancialmente exento de NO2, para producir dióxido de carbono purificado y vapor pobre en dióxido de carbono que comprende al menos una porción principal de dicho gas, o gases, no condensable;

recuperar dióxido de carbono de dicho vapor pobre en dióxido de carbono, a una segunda presión elevada, para producir gas rico en dióxido de carbono y gas empobrecido en dióxido de carbono que es rico en dicho gas, o gases, no condensables;

usar al menos una porción de dicho gas rico en dióxido de carbono para generar al menos una porción de dicho lecho, o lechos, adsorbente de dicho primer sistema de adsorción y producir gas de regeneración enriquecido en NO2; y

en el que dicho gas de alimentación de dióxido de carbono es, o deriva de, el gas de combustión generado en un sistema de combustión de tipo oxi-combustible, comprendiendo dicho método reciclar al menos una porción de dicho gas de regeneración enriquecido en NO2 a dicho sistema de combustión de tipo oxi-combustible.

Separación de NO2 mediante adsorción selectiva de gas de combustión derivado de oxi-combustibles La presente invención se refiere a un método para separar al menos dióxido de nitrógeno (NO2) del dióxido de carbono gaseoso que comprende NOx y al menos un gas “no condensable” como contaminantes. El método habitualmente separa también del gas de alimentación uno, o más, de al menos NO, N2O, agua, SOx y CO, si están presentes en el gas como contaminantes adicionales. La invención tiene una aplicación particular en la purificación del dióxido de carbono bruto, concretamente del gas de combustión generado por la combustión de tipo oxicombustible de combustibles tales como hidrocarburos, combustibles carbonosos y biomasa. El método tiene una particular aplicación en el tratamiento del gas de combustión procedente de una central energética en la que se quema carbón pulverizado en una caldera para producir vapor destinado a la generación de energía eléctrica.

El término “SOx” significa óxidos de azufre e incluye dióxido de azufre (SO2) y trióxido de azufre (SO3) . El término “NOx” significa óxidos de nitrógeno, e incluyen principalmente NO y dióxido de nitrógeno (NO2) . Los NOx pueden comprender uno o más óxidos de nitrógeno distintos, que incluyen N2O, N2O4 y N2O3.

Se ha afirmado que una de las principales causas del calentamiento global es el aumento de la contaminación por gases que producen efecto invernadero en la atmósfera debida a efectos antropológicos. El principal gas que se está emitiendo y que produce efecto invernadero, el dióxido de carbono (CO2) , ha elevado su concentración en la atmósfera desde aproximadamente 270 ppm antes de la revolución industrial a la cifra actual de aproximadamente 378 ppm. Son inevitables los aumentos adicionales de la concentración de CO2 hasta que se ponga freno a las emisiones de CO2. Las principales fuentes de emisiones de CO2 son las centrales de energía eléctrica accionadas por la quema de combustibles fósiles y los vehículos alimentados con combustibles procedentes del petróleo.

El uso de combustibles fósiles es necesario con el fin de continuar produciendo las cantidades de energía eléctrica que requieren las naciones para sostener sus economías y estilos de vida. Hay, por lo tanto, una necesidad de concebir medios mediante los que se pueda capturar el CO2 procedente de las centrales de energía que queman combustibles fósiles, de manera que se pueda almacenar en vez de darle salida a la atmósfera. El almacenamiento se puede hacer en profundidades marinas; en una formación geológica tal como un acuífero salino; o una formación empobrecida en gas natural o de petróleo. Como alternativa, el CO2 se podría usar para la recuperación mejorada del petróleo (EOR) .

El proceso de tipo oxi-combustible busca mitigar los efectos nocivos de las emisiones de CO2 produciendo un producto gaseoso de combustión neto, consistente en CO2 y vapor de agua, mediante la combustión de un combustible carbonoso o hidrocarbonado en oxígeno puro. Este proceso dará como resultado la ausencia de nitrógeno (N2) en los gases de combustión, junto con una temperatura de combustión muy alta que no será práctica en un horno o en una caldera. Con el fin de moderar la temperatura de combustión, parte de la corriente total del gas de combustión habitualmente se recicla, normalmente después de enfriarlo, de vuelta al quemador.

En el artículo titulado “Oxy-combustion processes for CO2 capture advanced supercritical PF and NGCC power plants” (Dilon et al; presentado en GHGT-7, Vancouver, septiembre 2004) , se describe un proceso de tipo oxicombustible para la captura del CO2 procedente de una caldera calentada quemando carbón pulverizado.

La combustión de tipo oxi-combustible produce gas de combustión sin depurar que contiene principalmente CO2, junto con contaminantes tales como vapor de agua; gases “no condensables”, es decir gases procedentes de procesos químicos que no se condensan fácilmente por enfriamiento, tales como oxígeno (O2) de combustión, y/o O2, N2 y argón (Ar) derivados de cualquier fuga de aire al sistema; y gases ácidos tales como SO3, SO2, cloruro de hidrógeno (HCl) , NO y NO2 producidos como productos de oxidación procedentes de componentes del combustible o por la combinación del N2 y O2 a alta temperatura. Las concentraciones precisas de las impurezas gaseosas presentes en el gas de combustión dependen de factores tales como la composición del combustible; el nivel de N2 en la cámara de combustión; la temperatura de combustión; y el diseño del quemador y del horno.

En general, el CO2 producto final, purificado, se producirá idealmente como una corriente de fluido a alta presión para el suministro a un gaseoducto para su transporte al almacenamiento o lugar de uso, por ejemplo en una EOR. El CO2 se debe secar para evitar la corrosión de, por ejemplo, un gaseoducto de acero al carbono. Los niveles de impurezas del CO2 no deben poner en peligro la integridad del lugar de almacenamiento geológico, en particular si el CO2 se va a usar para la EOR, y el transporte y almacenamiento no deben infringir los tratados y reglamentaciones nacionales e internacionales que rigen el transporte y la eliminación de corrientes gaseosas.

Es, por lo tanto, necesario purificar el gas de combustión sin depurar procedente de la caldera u horno para separar el vapor de agua; SOx; NOx; las impurezas gaseosas solubles, tales como HCl; y los gases “no condensables” tales como O2, N2 y Ar, con el fin de producir el CO2 producto final que será adecuado para el almacenamiento o uso.

En general, la técnica anterior en el área de la captura de CO2 usando el proceso de tipo oxi-combustible se ha concentrado hasta ahora en la separación de los SOx y NOx aguas arriba del tren de compresión del CO2 en un sistema de recuperación y purificación de CO2, que usa el actual estado de la tecnología. La separación de los SOx y NOx se basa en los esquemas de desulfuración del gas de combustión (FGD) , tal como la depuración con suspensiones de piedra caliza seguida de la oxidación al aire produciendo yeso, y la reducción de los NOx usando una diversidad de técnicas tales como quemadores con emisión reducida de NOx, sobrecalentamiento, o usando agentes reductores tales como amoníaco o urea a temperatura elevada, con o sin catalizadores. La separación de SOx/NOx usando tecnologías de desulfuración y reducción de NOx está descrita en “Oxyfuel Combustion For Coal-Fired Power Generation With CO2 Capture – Opportunities And Challenges” (Jordal et al: GHGT-7, Vancouver, 2004) . Semejante proceso se podía aplicar a calderas convencionales de carbón.

Los documentos WO 2009/010690 A y WO 2009/010691 A describen un método para la purificación de un gas de alimentación de dióxido de carbono, tal como un gas de combustión procedente de un proceso de combustión de tipo oxi-combustible. El método comprende un paso (a) de pre-tratamiento para separar al menos una de las impurezas del gas de combustión, un paso (b) de compresión para comprimir el gas de combustión, y un paso (c) de purificación del dióxido de carbono, en el que se produce dióxido de carbono líquido puro mediante enfriamiento y condensación parcial del gas en un ciclo frío. El método del documento WO 2009/010690 A se caracteriza por un paso de purificación para separar los NOx y/o el agua proporcionada entre los pasos (a) y (c) . Se describe que el paso de purificación puede implicar un sistema de adsorción que comprende un lecho adsorbente que se puede regenerar reciclando una porción del gas purificado producido en el sistema de adsorción.

Los documentos US 2009/0013871 A, US 2009/0013868 A, y US 2009/0013717 A, describen un método para purificar un gas de alimentación de dióxido de carbono crudo, tal como un gas de combustión procedente de un sistema de combustión de tipo oxi-combustible. El gas de alimentación se trata previamente a aproximadamente presión atmosférica para separar partículas y/o los SOx, se comprime y luego se hace un tratamiento previo a presión elevada para separar agua y/o los NOx. El gas es sometido luego a una purificación a baja temperatura para producir dióxido de carbono líquido. El paso de pre-tratamiento a alta presión puede implicar adsorción, y el gas usado para regenerar el sistema de adsorción se puede reciclar al sistema de combustión de tipo oxi-combustible.

El documento EP 0417922 A describe un método para purificar el dióxido de carbono gaseoso producido, por ejemplo, como subproducto gaseosos procedente de la producción de amoníaco o de hidrógeno, o procedente de procesos de fermentación. El gas de... [Seguir leyendo]

1. Un método para separar al menos NO2 de un gas de alimentación de dióxido de carbono que comprende NOx y al menos un gas no condensable como contaminantes, comprendiendo dicho método:

hacer pasar dicho gas de alimentación de dióxido de carbono, a una primera presión elevada, a través de un primer sistema de adsorción que adsorbe selectivamente al menos NO2 para producir dióxido de carbono gaseoso al menos sustancialmente exento de NO2, comprendiendo el primer sistema de adsorción al menos un lecho adsorbente; purificar dicho dióxido de carbono gaseoso, al menos sustancialmente exento de NO2, para producir dióxido de carbono purificado y vapor pobre en dióxido de carbono que comprende al menos una porción principal de dicho gas, o gases, no condensable; recuperar dióxido de carbono de dicho vapor pobre en dióxido de carbono, a una segunda presión elevada, para producir gas rico en dióxido de carbono y gas empobrecido en dióxido de carbono que es rico en dicho gas, o gases, no condensables; usar al menos una porción de dicho gas rico en dióxido de carbono para generar al menos una porción de dicho lecho, o lechos, adsorbente de dicho primer sistema de adsorción y producir gas de regeneración enriquecido en NO2; y

en el que dicho gas de alimentación de dióxido de carbono es, o deriva de, el gas de combustión generado en un sistema de combustión de tipo oxi-combustible, comprendiendo dicho método reciclar al menos una porción de dicho gas de regeneración enriquecido en NO2 a dicho sistema de combustión de tipo oxi-combustible.

2. Un método según la reivindicación 1, en el que dicho primer sistema de adsorción adsorbe también NO de dicho gas de alimentación, de manera que dicho dióxido de carbono gaseoso al menos sustancialmente exento de NO2 está al menos sustancialmente exento de NOx, y dicho gas de regeneración enriquecido en NO2 comprende NO.

3. Un método según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que dicho primer sistema de adsorción comprende un catalizador de la oxidación del NO en presencia de O2 para producir NO2 que es adsorbido por dicho primer sistema de adsorción, y se desprende en la regeneración de dicho lecho, o lechos, adsorbente, de manera que dicho gas de regeneración enriquecido en NO2 comprende NO2 adicional.

4. Un método según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que dicho primer sistema de adsorción comprende un catalizador de la reducción del NO para reducir NO en presencia de un gas reductor para producir N2, estando dicho dióxido de carbono gaseoso, al menos sustancialmente exento de NO2, enriquecido con N2.

5. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicho gas de alimentación de dióxido de carbono comprende NO2 como un contaminante adicional, y dicho primer sistema de adsorción adsorbe N2O de dicho gas de alimentación, de manera que dicho dióxido de carbono gaseoso al menos sustancialmente exento de NO2 es al menos pobre en N2O, y dicho gas de regeneración enriquecido en NO2 comprende N2O.

6. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicho gas de alimentación de dióxido de carbono comprende agua como un contaminante adicional, y dicho primer sistema de adsorción adsorbe agua de dicho gas de alimentación, de manera que dicho dióxido de carbono gaseoso al menos sustancialmente exento de NO2 está al menos sustancialmente seco, y dicho gas de regeneración en NO2 comprende agua.

7. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicho gas de alimentación de dióxido de carbono comprende SOx como un contaminante adicional, y dicho primer sistema de adsorción adsorbe SOx de dicho gas de alimentación, de manera que dicho dióxido de carbono gaseoso al menos sustancialmente exento de NO2 está al menos sustancialmente exento de SOx, y dicho gas de regeneración enriquecido en NO2 comprende SOx.

8. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que dicho gas de alimentación de dióxido de carbono comprende CO como un contaminante adicional, y dicho primer sistema de adsorción adsorbe CO de dicho gas de alimentación, de manera que dicho dióxido de carbono gaseoso al menos sustancialmente exento de NO2, está al menos sustancialmente exento de CO.

9. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que dicho primer sistema de adsorción comprende un catalizador de la oxidación de CO para oxidar CO en presencia de O2 para producir dióxido de carbono, de manera que dicho dióxido de carbono gaseoso, al menos sustancialmente exento de NO2, comprende dióxido de carbono adicional.

10. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que se recupera dióxido de carbono de dicho vapor pobre en dióxido de carbono, a dicha segunda presión elevada, mediante permeabilidad a través de una membrana permeable, selectiva para el dióxido de carbono, para producir dicho gas rico en dióxido de carbono como una fracción de permeado y dicho gas empobrecido en dióxido de carbono como una fracción de retenido.

11. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que se recupera dióxido de carbono de dicho vapor pobre en dióxido de carbono, a dicha segunda presión elevada, por adsorción selectiva usando un segundo sistema de adsorción que comprende al menos un lecho adsorbente que adsorbe selectivamente dióxido de carbono para producir dicho gas empobrecido en dióxido de carbono, produciéndose dicho gas rico en dióxido de carbono en la regeneración de dicho lecho, o lechos, de dicho segundo sistema de adsorción.

12. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que dicho gas de alimentación de dióxido de carbono comprende O2 como un contaminante adicional, recuperándose una porción de dicho O2 con dióxido de carbono, de manera que dicho gas rico en dióxido de carbono comprende O2 y dicho gas de regeneración enriquecido en NO2 comprende O2.

13. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que dicho gas de alimentación de dióxido de carbono tiene un primer caudal y dicha porción de dicho gas rico en dióxido de carbono usado para regenerar dicho lecho, o lechos, de adsorción tiene un segundo caudal que es del 5% al 25% de dicho primer caudal de dicho gas de alimentación de dióxido de carbono.

14. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que dicho gas rico en dióxido de carbono se usa para regenerar la totalidad de dicho lecho, o lechos, adsorbente de dicho primer sistema adsorbente.

15. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que dicho gas rico en dióxido de carbono se usa para regenerar una porción de dicho lecho, o lechos, adsorbente de dicho primer sistema de adsorción, regenerándose la porción restante de dicho lecho, o lechos, usando al menos otro gas regenerador.

16. Un aparato para separar al menos NO2 de un gas de combustión de dióxido de carbono que comprende NOx y al menos un gas no condensable como contaminantes, comprendiendo dicho aparato:

un sistema (6) de combustión de tipo oxi-combustible para quemar un combustible en presencia de O2 para producir calor y dicho gas de combustión de dióxido de carbono; un primer sistema (30) de adsorción para adsorber selectivamente al menos NO2 de dicho gas de combustión a una primera presión elevada para producir dióxido de carbono gaseoso al menos sustancialmente exento de NO2, comprendiendo dicho primer sistema (30) de adsorción al menos un lecho adsorbente (2A-2C) ; un sistema (34) de purificación de dióxido de carbono para purificar dicho dióxido de carbono gaseoso, al menos sustancialmente exento de NO2, para producir dióxido de carbono purificado y vapor pobre en dióxido de carbono que comprende al menos una porción principal de dicho gas, o gases, no condensable; una instalación (32) de conductos para introducir dióxido de carbono gaseoso, al menos sustancialmente exento de NO2, procedente de dicho primer sistema (30) de adsorción, en dicho sistema (43) de purificación de dióxido de carbono; un sistema (40) de recuperación de dióxido de carbono para recuperar dióxido de carbono a partir de dicho vapor pobre en dióxido de carbono, a una segunda presión elevada, para producir gas rico en dióxido de carbono y gas empobrecido en dióxido de carbono que es rico en dicho gas, o gases, no condensable; una instalación (38) de conductos para introducir vapor pobre en dióxido de carbono, procedente de dicho sistema (34) de purificación de dióxido de carbono, en dicho sistema (40) de recuperación de dióxido de carbono; una instalación (42) de conductos para introducir al menos una porción de dicho gas rico en dióxido de carbono en dicho primer sistema (30) de adsorción para regenerar al menos una porción de dicho lecho, o lechos, adsorbente (2A-2C) de dicho primer sistema (30) de adsorción y producir gas de regeneración enriquecido en NO2; y una instalación (46) de conductos para reciclar al menos una porción de dicho gas de regeneración enriquecido en NO2 procedente de dicho primer (30) sistema de adsorción a dicho sistema (6) de combustión de tipo oxi-combustible.