Procedimiento y dispositivo de combustión de biomasa y captura simultánea de dióxido de carbono en un combustor-carbonatador.

La invención describe un dispositivo y un procedimiento para la combustión de biomasa y captura simultánea del CO2 generado en dicha combustión para generar una corriente sustancialmente pura deCO2 (9) que puede ser posteriormente almacenada.

El dispositivo comprende un reactor combustor- carbonatador (a) que se alimenta con biomasa y aire; al menos un ciclón de reciclo (b, c) de sólidos que separa sólidos (5) que retornan al combustor-carbonatador,y del que sale una corriente de sólidos y gases (4). El dispositivo comprende un calcinador B que regenera Ca O, un lecho fluidizado (d), y medios para alimentar Ca CO3 fresco (12) y para purgarsólidos (11).

Procedimiento y dispositivo de combustión de biomasa y captura simultánea de dióxido de carbono en un combustor- carbonatador

Campo de la invención

La presente invención está comprendida dentro del campo de obtención de energía a partir de la combustión de biomasa, con captura simultánea de CO2 para su almacenamiento posterior, y sin la liberación de cantidades significativas de dióxido de carbono. En concreto, la presente invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para la combustión de biomasa y captura de CO2 simultánea, mediante CaO como absorbente del CO2 generando carbonato cálcico. Posteriormente, el CaO se regenera en un calcinador, que puede ser acoplado al dispositivo de la invención.

Antecedentes de la invención

Actualmente, la generación de electricidad a partir de combustibles fósiles se lleva a cabo fundamentalmente mediante procesos de combustión que generan importantes cantidades de CO2, principal responsable del cambio climático. Por ello, se han propuesto en el estado de la técnica diferentes métodos para la captura del CO2 liberado en estos procesos, entre los que cabe destacar los que se basan en la reacción de carbonatación-calcinación:

CaO + CO2 = CaCÜ3

La patente US 5,52,894 describe un método de absorción de CO2 con sólidos regenerables que incluyen, entre otros, MgO y/o CaO. La regeneración del carbonato formado se lleva a cabo mediante el calor obtenido de los gases de combustión. Esta solución es viable para el caso de la captura de CO2 con MgO formándose un carbonato ya que las temperaturas de descomposición del MgCÜ3 son moderadas. Sin embargo, para el caso del CaO como sorbente de CO2, el sistema propuesto de regeneración mediante la calcinación de CaC3, no resulta viable en la práctica, ya que la demanda mínima de calor en el calcinador es muy elevada para eficacias de captura de CO2 superiores al 7%. [Rodríguez y col., Heat requirements of a CaC3 calciner when integrated in a C2 capture system. Chemical Engineering Journal, 138, 1-3, 148-155, 28], Es decir, a las temperaturas habituales de combustión no está disponible en los gases de combustión, la temperatura mínima precisa para intercambiar el calor al calcinador de CaCÜ3, el cual necesariamente por el equilibro termodinámico, se debe operar a temperaturas superiores a 9°C para obtener CO2 puro del regenerador.

Shimizu y col.; (Shimizu y col. A twin fluid-bed reactor for removal of CO2 from combustión processes Trans IChemE, 77, A, 1999) publican un procedimiento para la utilización de CaO como absorbente del CO2 procedente de los gases de combustión, con regeneración mediante calcinación en continuo de CaC3, para obtener una corriente concentrada de CO2. El sistema propuesto utiliza como carbonatador y calcinador dos lechos fluidizados interconectados. El calcinador utiliza la oxi-combustión de carbón para suministrar el calor necesario a la etapa endotérmica de calcinación del CaCÜ3 para dar CaO y CO2. La desventaja de este sistema de captura de CO2 es que requiere ser aplicado a una central térmica de alto rendimiento (generadora de la corriente de gas de combustión que se alimenta al carbonatador) para reducir al máximo la penalización energética de la costosa planta de separación de aire para producir el O2 de alta pureza requerido en el calcinador.

El documento WO 3/8223 describe un procedimiento de combustión a temperaturas preferiblemente superiores a 1°C, con separación integrada de CO2 por carbonatación basado en la utilización de CaO como transportador de parte del calor generado en cámara de combustión, que es utilizado en el calcinador para mantener la reacción endotérmica de calcinación, y regenerar el CaO, sin la necesidad de utilizar una planta de separación de aire, como proponen Shimizu y col. Para transferir el calor necesario para alcanzar temperaturas de calcinación superiores a 9°C, se propone utilizar lechos fluidizados circulantes separados por paredes metálicas o, preferiblemente, interconectados mediante un flujo de sólidos inertes en la reacción de combustión, que transfieren calor desde la cámara de combustión al calcinador. La primera propuesta se ha descartado por falta de materiales adecuados.

El documento WO 24/97297 describe un procedimiento de combustión con captura de CO2 que incluye un reactor de lecho fluidizado burbujeante a presión. En dicho reactor se llevan a cabo tres reacciones simultáneas: combustión del material de carbono alimentado al reactor, captura "in situ" del CO2 generado durante la combustión y captura "in situ" del SO2 generado durante la combustión. Las dos últimas reacciones son posibles gracias a que el reactor se alimenta de forma continua con una corriente de CaO, obtenida por combustión de carbón en condiciones de oxi-combustión. Por tanto, este procedimiento presenta la desventaja de que requiere una planta de separación de aire para producir O2. El combustible de la invención es preferiblemente coque de petróleo o cualquier otro combustible sólido de bajo contenido en cenizas, para evitar problemas con las altas temperaturas de regeneración (>1.°C) en el lecho fluidizado a presión. Esta patente describe sistemas de combustión a alta presión debido al hecho de que que son los únicos en los que es posible combinar altas velocidades de combustión de combustibles sólidos con poca reactividad, como coque de petróleo, y altas eficacias de carbonatación y de retención de sulfatación.

Abanades y col., (Abanades, J. C.; y col. Fluidized Bed Combustión Systems Integrating CO2 Capture with CaO.

Environ. Sci. Tech. 25, 39(8), 2861; y Abanades, J.C., y col. In-situ capture of CO2 in a fluidized bed combustor. 17th Int. Conf. on Fluidized Bed Combustión, FL-USA, ASME. Mayo 23. Paper 1) describen un procedimiento similar al de la solicitud WO 24/97297, pero a presión atmosférica y solo válido para combustibles de alta reactividad y muy bajo contenido en azufre como la biomasa. El procedimiento consiste en la combustión de biomasa y la captura simultánea "in situ" del CO2 para capturar el CO2formado por carbonatación trabajando entorno a 7°C. Sin embargo, no se ha podido demostrar la viabilidad del procedimiento (C. Salvador, y col. Capture of CO2 with CaO in a pilot fluidized bed carbonatar. Experimental results and reactor model. 7th Congress on Greenhouse Gas Control Technologies-GHGT-7; Vancouver, Cañada; Sep. 24) principalmente por llevarse a cabo en lecho fluidizado burbujeante, con una gran segregación en el lecho de la reacción de combustión que impide el necesario contacto entre el CO2 y las partículas absorbentes de CaO.

El documento "Calcium looping activities at IVD" 4th International workshop on in situ CO2 removal (7-8 mayo28), páginas 1-4 describe una planta piloto de captura de CCha partir de gas de combustión.

El documento Flughes y col., " Design, process simulation and construction of an atmospheric dual fluidized bed combustión system for in situ CO2 capture using high temperature sorbents" Fuel Processing Technology, Elservler, vol. 86, n.° 14-15, 1 octubre de 25, páginas 1523-1531, da a conocer un dispositivo para combustión de biomasa y captura de CO2 generado en dicha combustión.

La solicitud de patente DE1271582 describe el procedimiento y dispositivo para la separación de dióxido de carbono a partir de gas de escape de una planta que quema combustibles, tales como gas natural, petróleo, carbón y biomasa con yeso quemado, comprende llevar a cabo la calcinación de caliza a través de calor que se conduce en un intercambiador de calor de alta temperatura a partir del mismo procedimiento o a través de calor residual que se conduce en un procedimiento a alta temperatura. El calor liberado durante la adsorción se usa nuevamente en el mismo procedimiento o se devuelve en el procedimiento. La separación y la calcinación se llevan a cabo en dos capas de turbulencia convergentes. El procedimiento y dispositivo para la separación de dióxido de carbono a partir de gas de escape de una planta que quema combustibles, tales como gas natural, petróleo, carbón, biomasa con yeso quemado, comprende llevar a cabo la calcinación de caliza a través de calor que se conduce en un intercambiador de calor de alta temperatura a partir del mismo procedimiento o a través de calor residual que se conduce en un procedimiento a alta temperatura. El calor liberado durante la adsorción se usa nuevamente en el mismo procedimiento o se devuelve en el procedimiento. La separación y la calcinación se llevan a cabo en dos capas de turbulencia convergentes mediante las que el flujo de los materiales del lecho invierte una de las capas de turbulencia y el aflujo de los materiales del lecho invierte la otra capa de turbulencia. La calcinación... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo adecuado para combustión de biomasa y captura simultánea del CO2 generado en dicha combustión, que comprende:

(i) un combustor-carbonatador (a) de lecho fluidizado circulante adecuado para resistir temperaturas de entre 55 y 7 °C y que tiene una entrada para biomasa (1) y aire (2) y una salida para una primera corriente (3) de sólidos y gases;

(ii) un primer de ciclón (b) de reciclo conectado a la salida del combustor-carbonatador para separar la primera corriente (3) de sólidos y gases en una primera corriente de sólidos (5) para reciclarse al combustor- carbonatador y una segunda corriente (4) de sólidos y gases;

(iii) un segundo ciclón (c), para recibir la segunda corriente (4) de sólidos y gases del primer ciclón (b) y separar esta segunda corriente en una segunda corriente de sólidos (7) y una corriente de gas (6);

(iv) un calcinador (B) para recibir la segunda corriente de sólidos (7) del segundo ciclón (c) y calcinar esta corriente, un separador para recibir la corriente calcinada (8) a partir del calcinador y separar esta corriente en una tercera corriente de sólidos (1) y una corriente de CO2 (9);

(v) un lecho fluidizado (d) para recibir la tercera corriente de sólidos (1), siendo adecuado el lecho fluidizado (d) para fluidizarse con vapor o CO2 (13) y estando provisto de medios para separar una cuarta corriente de sólidos (14) para reciclarse al combustor-carbonatador;

(vi) con medios para purgar una quinta corriente de sólidos (11) del lecho fluidizado (d), y medios para alimentar caliza fresca (12) al lecho fluidizado (d).

2. Procedimiento para la combustión de biomasa y captura simultánea del CO2 generado en dicha combustión, que comprende las etapas de:

alimentar biomasa y aire a un combustor-carbonatador de lecho fluidizado circulante y efectuar en el mismo la combustión de biomasa y carbonatación simultánea de CaO para generar CaCÜ3 a una temperatura comprendida entre 55 y 7 °C,

separar una primera corriente (3) de sólidos y gases del combustor-carbonatador en un primer ciclón (b) en una primera corriente de sólidos (5) y una segunda corriente (4) de sólidos y gases y reciclar la primera corriente de sólidos al combustor-carbonatador;

separar la segunda corriente de sólidos y gases en un segundo ciclón (c), en una segunda corriente de sólidos (7) y una corriente de gas (6) y conducir la segunda corriente de sólidos a un calcinador (B);

calcinar continuamente el CaCC>3 contenido en la segunda corriente de sólidos y separar el CO2 resultante que contiene la corriente del calcinador en una corriente de CO2 (9) y una tercera corriente de sólidos (1);

llevar la tercera corriente de sólidos a un lecho fluidizado (d) que se fluidiza con vapor o CO2 (13)

alimentar continuamente caliza fresca (12) al lecho fluidizado (d),

purgar continuamente una quinta corriente de sólidos (11) del lecho fluidizado (d); y

retirar una cuarta corriente de sólidos (14) del lecho fluidizado y alimentar esta corriente al combustor- carbonatador (a), caracterizado porque esta cuarta corriente de sólidos está comprendida entre 5 y 2 veces el flujo molar de carbono alimentado con la biomasa y el combustor-carbonatador que contiene por cada m2 de su sección transversal una cantidad de CaO en forma particulada de al menos 5 kg, permaneciendo estable dicha cantidad en el lecho.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, que comprende adicionalmente recuperar calor a partir de una o más de las siguientes corrientes que resultan del procedimiento:

a partir de la tercera corriente de sólidos (1) que se recibe en el lecho fluidizado (d) que se fluidiza con vapor o CO2 (13);

a partir de la corriente de gases (6) del ciclón secundario (c),

a partir de la quinta corriente de sólidos (11);

a partir de la primera corriente de sólidos (5) reciclada al combustor-carbonator.

- a partir de la tercera corriente de sólidos (1) que se recibe en el lecho fluidizado (d) que se fluidiza con vapor o CO2 (13);

- a partir de la corriente de gases (6) del ciclón secundario (c),

- a partir de la quinta corriente de sólidos (11);

- a partir de la primera corriente de sólidos (5) reciclada al combustor.