La invención describe un dispositivo y un procedimiento para la combustión de biomasa y captura simultánea del CO{sub,

2} generado en dicha combustión para generar una corriente sustancialmente pura de CO{sub,2} (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 CaO, un lecho fluidizado (d), y medios para alimentar CaCO{sub,3} fresco (12) y para purgar sólidos (11)

Procedimiento y dispositivo para la combustión de biomasa sin emisión de dióxido de carbono.

Campo de la invención

La presente invención se encuadra 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 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 acoplarse 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 = CaCO₃

La patente US 5,520,894 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 MgCO₃ son moderadas. Sin embargo, para el caso del CaO como sorbente de CO₂, el sistema propuesto de regeneración mediante la calcinación de CaCO₃, 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 70%. [Rodríguez y col., Heat requirements of a CaCO₃ calciner when integrated in a CO₂ capture system. Chemical Engineering Journal, 138, 1-3, 148-155, 2008]. 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 CaCO₃, el cual necesariamente por el equilibro termodinámico, se debe operar a temperaturas superiores a 900ºC para obtener CO₂ puro del regenerador.

Shimizu y col.; (Shimizu et al. 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. CaCO₃, 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 CaCO₃ 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.

WO 03/080223 describe un procedimiento de combustión a temperaturas preferiblemente superiores a 1000ºC, 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 900ºC, 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.

WO 2004/097297 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 (>1.000ºC) en el lecho fluidizado a presión. Esta patente describe sistemas de combustión a alta presión debido a que son los únicos en los que es posible compaginar altas velocidades de combustión de combustibles sólidos poco reactivos, como coque de petróleo, y altas eficacias de carbonatación y de retención de sulfatación.

Abanades y col. (Abanades, J. C.; et al. Fluidized Bed Combustión Systems Integrating CO₂ Capture with CaO. Environ. Sci. Tech. 2005, 39(8), 2861; y Abanades, J.C., et al. In-situ capture of CO₂ in a fluidized bed combustor. 17th Int. Conf. on Fluidized Bed Combustión, FL-USA, ASME. Mayo 2003. paperlO) describen un procedimiento similar al de la solicitud WO 2004/097297, pero a presión atmosférica y sólo 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 formado, por carbonatación trabajando entorno a 700ºC. Sin embargo, no ha podido demostrarse la viabilidad del procedimiento (C. Salvador, et al. Capture of CO₂ with CaO in a pilot fluidized bed carbonator. Experimental results and reactor model. 7th Congress on Greenhouse Gas Control Technologies-GHGT-7; Vancouver, Cañada; Sep. 2004) 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.

Por tanto, y a la vista de todo lo expuesto, sigue existiendo la necesidad en el estado de la técnica de proporcionar un procedimiento y un dispositivo alternativos para la combustión y carbonatación "in situ" que supere al menos en parte los problemas del estado de la técnica mencionados, y resulte más eficaz desde un punto de vista energético y económico, y por ello interesante para su escalado a nivel industrial.

Breve descripción de las figuras

Figura 1: muestra un esquema del dispositivo de combustión-carbonatación de la invención y un diagrama de flujo del procedimiento de la invención.

Figura 2: muestra una gráfica en la que se representan las eficacias experimentales de captura de CO₂ obtenidas en el dispositivo de combustión-carbonatación de la invención a distintos tiempos junto con las máximas permitidas por el equilibrio en las condiciones presentes en el dispositivo en esos mismos tiempos.

Descripción de la invención

En un primer aspecto, la invención se relaciona con un nuevo dispositivo, en adelante dispositivo de la invención, para la combustión de biomasa y captura simultánea del CO₂ generado en dicha combustión que comprende:

(i) un combustor-carbonatador (a) de lecho fluidizado circulante que se alimenta con biomasa (1) y aire (2), emite una corriente de sólidos y gases (3), opera a una temperatura de entre 550 y 700ºC, y comprende una cantidad de CaO de al menos 500 kg CaO/m².

En el contexto de la invención la expresión...

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

(i) un combustor-carbonatador (a) de lecho fluidizado circulante que se alimenta con biomasa (1) y aire (2), emite una corriente de sólidos y gases (3), y opera a una temperatura de entre 550 y 700ºC, y comprende una cantidad de CaO de al menos 500 kg CaO/m².

2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que el combustor-carbonatador opera a una temperatura de entre 600 y 650ºC.

3. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que el lecho del combustor-carbonatador (a) comprende una cantidad comprendida entre 1000 y 2000 kg CaO/m².

4. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende además:

(ii) un ciclón primario (b) de reciclo de sólidos, al que llega la corriente (3), que separa sólidos (5) que entran en el combustor-carbonatador, y del que sale una corriente de sólidos y gases (4);

(iii) un ciclón secundario (c) de reciclo de sólidos, al que llega la corriente (4), que separa sólidos (7) que entran en el calcinador (B) y del que sale una corriente de gas (6);

(iv) un calcinador (B) del que sale una corriente (8) que se separa en CO₂ y sólidos (10);

(v) un lecho fluidizado (d) con vapor o CO₂ (13) al que llegan los sólidos (10), y del que salen sólidos (14) que entran en el combustor-carbonatador; y

(vi) medios para purgar sólidos (11) del lecho fluidizado (d), y medios para alimentar caliza fresca (12).

5. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende además:

(ii) un ciclón (b) de reciclo de sólidos, al que llega la corriente (3), que separa los sólidos de los gases y

(iii) una válvula de sólidos que separa la corriente de sólidos que sale del ciclón en dos corrientes, de las cuales una se recircula al combustor-carbonatador y otra se lleva al calcinador.

6. Procedimiento para la combustión de biomasa y captura simultánea del CO₂ generado en dicha combustión que comprende una etapa de:

a) combustión de biomasa y carbonatación simultánea del CaO para generar CaCO₃ en un combustor-carbonatador de lecho fluidizado circulante que presenta una cantidad de CaO de al menos 500 kg CaO/m² a una temperatura comprendida entre 550 y 700ºC.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, en el que la combustión y carbonatación tienen lugar en un combustor-carbonatador de lecho fluidizado circulante a una temperatura comprendida entre 600 y 650ºC.

8. Procedimiento según la reivindicación 6 o 7, en el que la combustión y carbonatación tienen lugar en un combustor-carbonatador de lecho fluidizado que presenta una cantidad de CaO comprendida entre 1000 y 2000 kg CaO/m².

9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6-8, que comprende además, las siguientes etapas:

- separar sólidos de la corriente de salida (3) del combustor-carbonatador (a) en un ciclón primario (b) reciclándolos (5) al combustor-carbonatador y separándolos de una corriente de salida (4);

- separar sólidos de la corriente de salida (4) del ciclón primario (b) en un ciclón secundario (c) conduciéndolos a un calcinador (B) y separándolos de una corriente de gas (6);

- calcinar en continuo el CaCO₃ para generar y separar CO₂ (9) y una corriente de sólidos (10);

- llevar la corriente de sólidos (10) a un lecho fluidizado (d),

- alimentar en continuo caliza fresca al lecho fluidizado (d),

- purgar en continuo sólidos del lecho fluidizado (d) y

- alimentar una corriente (14) al combustor-carbonatador (a).

10. Procedimiento según la reivindicación 9, que comprende, además, recuperar calor de una o más de las siguientes corrientes resultantes del procedimiento:

- de la corriente de sólidos (10) en el lecho fluidizado (d) con vapor o CO₂,

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

- de la corriente de sólidos purgada (11);

- de la corriente (5) de retorno de sólidos al combustor-carbonatador.

11. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6-8, que comprende además:

12. Procedimiento según la reivindicación 11, que comprende además recuperar calor de una o más de las corrientes resultantes del procedimiento.