ES2427040T3 - Procedimiento mejorado para la absorción de CO2 - Google Patents

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Abstract

Un procedimiento para retirar el CO2 de un gas de escape procedente de la combustión de material carbonado,procedimiento en el que el gas de escape se lleva en flujo a contracorriente con un absorbente líquido de CO2, quees una solución acuosa de aminas, en una sección de contacto de una columna de absorción, para producir un gasde escape empobrecido en CO2 que se libera a la atmósfera y un absorbente rico en CO2 que se extrae de lacolumna de absorción, en el que el gas de escape que se introduce en la columna de absorción comprende oxígeno,no está saturado con agua y está a una temperatura por encima de 90 °C y en el que el gas de escape se enfría porevaporación de agua del absorbente que fluye a contracorriente para saturar el gas de escape en una parte inferiorde la sección de contacto de la columna de absorción.

Description

Procedimiento mejorado para la absorción de CO2
Campo técnico
La presente invención se refiere al campo de la captura de CO2 de una mezcla gaseosa. Más específicamente la presente invención se refiere a la captura de CO2 de un gas de escape procedente de la combustión de un material carbonado. Aún más específicamente la presente invención se refiere a un procedimiento mejorado para el enfriamiento y absorción de CO2 de un gas de combustión.
Antecedentes
El continuo crecimiento de la combustión de combustibles fósiles, tales como el carbón, gas natural y petróleo, durante los últimos siglos ha producido un aumento de la concentración de CO2 en la atmósfera. La concentración creciente de CO2 ha generado preocupación debido al efecto invernadero provocado por el CO2. Se sospecha que el efecto invernadero ya ha causado al menos algunos de los cambios en el clima que se han observado en las últimas décadas, y según modelos de simulación se sospecha que provoca incluso más cambios y cambios potencialmente drásticos en el clima de la tierra.
Esto ha provocado el llamamiento a la acción por parte de científicos, ecologistas y políticos de todo el mundo, para estabilizar o incluso reducir el vertido de CO2 procedente de la combustión de combustibles fósiles a la atmósfera. Esto se puede conseguir capturando y depositando de forma segura el CO2 de los gases de escape de las plantas de energía térmica y otras plantas en las que se queman combustibles fósiles.
El CO2 capturado se puede inyectar en formaciones subterráneas tales como acuíferos, o pozos petrolíferos para mejorar la recuperación de petróleo o en pozos petrolíferos o gasíferos agotados para su deposición. Los ensayos indican que el CO2 permanece en la formación subterránea durante miles de años y no se libera a la atmósfera.
La captura del CO2 de un gas mediante absorción es muy conocida y se lleva utilizando décadas, por ejemplo, la retirada del CO2 (y otros gases ácidos) del gas natural producido en campos de gas. Los absorbentes utilizados o sugeridos en la técnica anterior han sido diversas soluciones alcalinas acuosas, tales como carbonato de potasio, véase por ejemplo, el documento de EE.UU. 4.528.811, y diferentes aminas, véase por ejemplo, el documento de EE.UU. 4.112.051, EE.UU. 4.397.660 y EE.UU. 5.061.465. La separación del CO2 del gas de escape de plantas de energía térmica por medio de una solución de amina se conoce por ejemplo del documento de EE.UU. 4.942.734.
El documento de EE.UU. 4.079.117 desvela un procedimiento para retirar el CO2 de un gas de proceso que no comprende oxígeno, procedimiento en el que el gas se lleva en flujo a contracorriente con un absorbente líquido de CO2, que es una solución acuosa de aminas, en una sección de contacto de una columna de absorción, para producir un gas de escape empobrecido en CO2 que se libera a la atmósfera y un absorbente rico en CO2 que se extrae de la columna de absorción, en el que el gas de escape que no está saturado con agua se introduce en la columna de absorción a una temperatura por encima de 90 °C y el gas de escape se enfría por evaporación de agua del absorbente que fluye a contracorriente para saturar el gas de escape en una parte inferior de una sección de contacto de la columna de absorción.
Lo habitual para estas soluciones que capturan CO2 es que la mezcla gaseosa a separar se introduzca a contracorriente respecto al absorbente acuoso en una columna de absorción. El gas que sale de la columna de absorción está empobrecido en CO2 (o gas ácido empobrecido), mientras que el CO2 (u otro gas ácido) sale de la columna de absorción junto con el absorbente. El absorbente se regenera en la columna de regeneración y se devuelve a la columna de absorción. La amina se regenera por arrastre de la solución amina con vapor en la columna de regeneración. El vapor se regenera en el calderín en la base de la columna.
Como se ha ilustrado anteriormente, el CO2 como tal es muy conocido en la técnica. No obstante, hay una necesidad de introducir varias mejoras en el proceso de captura de CO2 para hacer que las plantas de energía térmica sin emisiones de CO2 o con bajas emisiones de CO2 sean económicamente rentables.
Las plantas para la captura de CO2 son construcciones relativamente grandes, complejas y caras. Por tanto se desea reducir el tamaño, la complejidad y el coste de las plantas.
La captura de CO2 se realiza a expensas de la eficacia de una planta de energía termoeléctrica que utiliza combustibles fósiles, de forma que se reduce la producción de energía eléctrica y/o el calor a temperatura media de la planta de energía termoeléctrica. La eficacia reducida en comparación con una planta tradicional hace que estas instalaciones sean menos rentables. Por tanto se demandan mejoras en la eficacia, es decir, la reducción de los costes energéticos en el proceso de captura de CO2.
Los absorbentes preferidos actualmente son soluciones acuosas de diferentes aminas. Las aminas utilizadas habitualmente son alcanolaminas, tales como por ejemplo, dietanolamina, mono metil etanolamina, aminoetil etanolamina, 2-(metilamino)etanol, MDEA así como otras aminas conocidas por el experto en la materia. La absorción de CO2 en los absorbentes de amina es una reacción exotérmica y reversible. Por consiguiente, para revertir la absorción y liberar el CO2 se debe suministrar calor a la columna de regeneración.
Los absorbentes de amina están expuestos a la degradación durante el ciclo de absorción/desorción descrito anteriormente. El gas de escape de la combustión de material carbonado comprende oxígeno que reaccionará con
5 las aminas dependiendo del tipo de amina, la concentración de oxígeno, el tiempo de contacto total entre el oxígeno y la amina, la temperatura, etc. Una temperatura elevada, un tiempo de contacto prolongado y un elevado contenido de oxígeno en el gas a tratar, son factores que incrementan la degradación de la amina. La degradación de la amina también es un factor que añade costes a la captura de CO2. Las aminas degradadas deben ser reemplazadas y depositadas, lo que produce un incremento de los costes operativos de la planta.
10 La temperatura de escape a la salida de una planta de energía térmica tradicional normalmente es de 80 a 120 °C, ya que gases a temperaturas inferiores no tienen ningún valor en la producción de energía eléctrica, y poco o ningún valor como fuente térmica en otros procesos.
Por tanto se introduce un refrigerador entre la salida de una planta de energía térmica y la columna de absorción. El refrigerador más habitual es una torre en la que el gas de escape se enfría mediante un caudal a contracorriente de
15 agua pulverizada para enfriar el gas y saturar el gas con vapor de agua. El gas enfriado y saturado que sale del enfriador normalmente tiene una temperatura de 50 °C aproximadamente y se introduce directamente en la columna de absorción.
El enfriador y el absorbedor para una planta de captura de CO2 constituyen una parte sustancial de las inversiones totales de la planta. Por tanto se demanda una reducción en el tamaño y la complejidad, y de esa forma de los
20 costes totales de las inversiones en el enfriador y el absorbedor. Adicionalmente, hay costes operativos significativos relacionados con el enfriador. Se produce una pérdida de presión a lo largo del enfriador que produce un incremento en el consumo de energía. Además, el enfriador requiere grandes bombas que consumen energía.
Un objetivo de la presente invención es, por tanto, ofrecer soluciones que posibiliten la reducción de los costes de inversión en el enfriador y el absorbedor en una planta para la captura de CO2, sin un incremento inaceptable de los
25 costes operativos y/o una reducción de la eficacia de la planta.
Breve descripción de la invención
La presente invención proporciona un procedimiento para retirar el CO2 de un gas de escape procedente de la combustión de un material carbonado de acuerdo con la reivindicación 1. Sorprendentemente se ha encontrado que se puede prescindir del enfriador de admisión para la columna de absorción, y así se pueden reducir tanto el coste 30 de inversión como el coste operativo, sin la pérdida correspondiente en la capacidad de absorción de la columna de absorción. La pérdida de capacidad de absorción debido al enfriamiento en la columna de absorción se puede compensar con un incremento del 10% aproximadamente de la sección de contacto. La omisión del enfriador de admisión por el contrario tiene un efecto positivo importante sobre los costes de inversión y los requerimientos de espacio para una planta que captura CO2, puesto que el enfriador de admisión es un componente caro que requiere
35 un espacio valioso dentro de la planta. El ahorro al prescindir del enfriador de admisión es mucho mayor que los costes añadidos por el incremento del tamaño o de la velocidad de circulación a través de la sección de contacto.
De acuerdo con una realización, el absorbente se extrae de la columna de absorción inmediatamente después de salir de la sección de contacto. Al retirar el absorbente de la columna de absorción inmediatamente después de salir de la sección de contacto, se reduce el tiempo durante el cual el absorbente está en contacto con el gas de escape
40 caliente, reduciendo así la degradación del absorbente.
De acuerdo con una segunda realización, la presente invención proporciona una columna de absorción para retirar el CO2 de un gas de escape procedente de la combustión de material carbonado que comprende una sección de admisión para el gas de escape, una o más secciones de contacto rellenas para llevar el caudal a contracorriente del gas de escape y un absorbente líquido, y medios para extraer de la columna el gas de escape empobrecido en CO2,
45 y medios para extraer de la columna el absorbente rico en CO2, en el que los medios para extraer el absorbente rico en CO2 comprenden una bandeja de recogida entre la sección de admisión (10) y la(s) sección(es) de contacto.
Breve descripción de las Figuras
La Figura 1 ilustra una columna de absorción y un enfriador de admisión de acuerdo con la técnica anterior, la Figura 2 ilustra una columna de absorción de acuerdo con una primera realización de la presente
50 invención, la Figura 3 ilustra una columna de absorción de acuerdo con una segunda realización de la presente invención, la Figura 4 ilustra una columna de absorción de acuerdo con una tercera realización de la presente invención, la Figura 5 es una presentación gráfica de la temperatura en función de la altura en una sección de contacto
55 para una temperatura de admisión de 50 °C y una temperatura de saturación de 47 °C, la Figura 6 es una presentación gráfica de la temperatura en función de la altura en una sección de contacto para una temperatura de admisión de 90 °C y una temperatura de saturación de 50 °C, y la Figura 7 es una presentación gráfica de la capacidad de absorción de un absorbente a una temperatura de admisión de 50 °C comparada con una temperatura de admisión de 90 °C.
Descripción detallada de la invención
La Figura 1 ilustra un enfriador de admisión 1 y una columna de absorción 2 de acuerdo con la técnica anterior. El
5 gas de combustión, que normalmente tiene una temperatura de 90-140 °C se introduce a través de una línea de escape 3 hacia la cámara del enfriador de admisión 4. El gas de combustión se enfría en una zona de contacto 5 en el enfriador de admisión 1 mediante un caudal a contracorriente de agua refrigerante. El agua refrigerante se introduce a través de una línea de agua refrigerante 6 y se pulveriza mediante un medio de distribución de líquidos 7 sobre la zona de contacto 5. Debido al contacto directo a contracorriente con el agua refrigerante, el gas de
10 combustión se enfría y se satura con vapor de agua. El gas de combustión refrigerado se extrae de la parte superior del enfriador de admisión a través de una línea 8 y se introduce en la columna de absorción, mientras que el agua refrigerante se recoge en la parte inferior del enfriador y se extrae a través de una línea de extracción 9.
El gas de combustión refrigerado y saturado en la línea 8 se introduce en una cámara de admisión 10 en la parte inferior de la columna de absorción 2. Desde la cámara de admisión 10, el gas fluye ascendentemente hacia la 15 columna de absorción y a contracorriente del líquido absorbente en una o más secciones de contacto 12, 16. La(s) sección(es) de contacto preferentemente comprende(n) un empaquetamiento estructural para incrementar el área superficial, o área de contacto entre el líquido absorbente y el gas. La columna de absorción ilustrada está provista de dos secciones de contacto conectadas en serie 12, 16. Después de salir de las secciones de contacto 12, 16, el gas se lava con un caudal a contracorriente de agua en una sección de lavado 21 para retirar todas las aminas del 20 caudal de gas. El agua de lavado se introduce a través de la línea de agua de lavado 23 y se pulverizada en la parte superior de la sección de lavado 21, se recoge en la placa de recogida de agua 19 debajo de la sección de lavado y se extrae a través de una línea de retirada del agua de lavado 20. A continuación, preferentemente se retiran las gotas de agua del caudal del gas lavado en una sección de separación de gotas 24 antes de que el gas de escape empobrecido, del que se ha retirado del 80 al 90% del CO2 mediante absorción, se extraiga a través de una línea de
25 extracción del gas de escape empobrecido 25.
El absorbente empobrecido, o puro en CO2, se introduce en la columna de absorción a través de una línea de absorción empobrecida 18 y se pulveriza sobre la parte de arriba de la sección de contacto superior 16 mediante medios de distribución de líquidos 17. El absorbente fluye a través de la sección de contacto superior 16 y se recoge en una placa de recogida del absorbente 15 debajo de la sección de contacto 16. La placa de recogida del 30 absorbente 15 puede ser una placa de recogida de casquete de burbujeo o cualquier otro tipo de placa de recogida conocida por el experto en la materia. El absorbente semi-empobrecido que tiene CO2 absorbido procedente del gas de escape, se extrae en una línea de derivación 14 y se pulveriza en la parte superior de la sección de contacto inferior 12. Después de que pase a través de la sección de contacto inferior 12, el absorbente enriquecido que tiene más CO2 absorbido procedente del gas de escape, se recoge en la parte inferior de la columna de arrastre y se
35 extrae a la línea de extracción del absorbente enriquecido 11.
El absorbente enriquecido se puede regenerar en un regenerador, por ejemplo, como se describe en las solicitudes de patente noruegas en posesión de los solicitantes NO2006 5411, NO2006 5412 o NO2006 5413. A continuación el absorbente regenerado se introduce como absorbente empobrecido en la línea 18.
Los medios de distribución de líquidos 7, 17, respectivamente, puede ser cualquier medio adecuado para distribuir
40 un líquido sobre las secciones de contacto. Los medios de distribución de líquidos 7, 17 adecuados pueden ser boquillas, canales o tuberías con orificios pequeños para permitir la distribución del líquido sobre las secciones de contacto.
La realización ilustrada en la Figura 2 corresponde a la solución descrita anteriormente de acuerdo con la técnica anterior, con la diferencia de que se prescinde del enfriador. Al introducir gases de escape no saturados con agua y 45 a una temperatura que normalmente oscila entre 90-130 °C aproximadamente, los gases de escape se enfrían por evaporación del agua del absorbente para saturar los gases de escape y sólo produce un ligero incremento de la temperatura del absorbente en la parte más baja de la sección de contacto. Este ligero incremento de la temperatura y la ligera reducción correspondiente en la capacidad de absorción del absorbente, se puede compensar mediante un incremento en la altura de la(s) sección(es) de contacto y/o un incremento del caudal de absorbente. Los costes
50 adicionales por el incremento de la altura del relleno o el incremento del caudal de absorbente para que absorba la misma cantidad de CO2 son, no obstante, relativamente pequeños en comparación con los costes de un enfriador de acuerdo con la técnica anterior.
Las Figuras 3 y 4 ilustran dos variantes diferentes de una realización en la que el absorbente enriquecido que sale de la sección de contacto inferior se recoge en una bandeja de recogida 37 debajo del relleno estructurado de la 55 sección de contacto inferior 12, para recoger el absorbente enriquecido que sale de la sección de contacto. El absorbente enriquecido recogido se extrae de la bandeja de recogida 37 y se transfiere al tanque de almacenamiento del absorbente enriquecido 31, 35 a través de las líneas 30, 38, respectivamente. Al retirar el absorbente enriquecido de la columna de absorción inmediatamente después de que salga de la sección de contacto, se minimiza el tiempo de exposición del absorbente al oxígeno y a temperaturas elevadas. Esto se traduce
en una menor degradación del absorbente en comparación con las soluciones de acuerdo con la técnica anterior.
Para reducir aún más la degradación del absorbente, se puede producir un gas inerte, tal como por ejemplo nitrógeno, en el tanque 31, 35 a través de una línea de gas inerte 30, 32, respectivamente, como sistema de inertización para reducir adicionalmente el contacto entre el absorbente y el oxígeno. Como se ilustra en la Figura 4, el tanque 35 opcionalmente se descarga en la cámara de admisión de la columna de absorción a través de la línea de ventilación 39 para evitar el tener que limpiar el gas retirado del tanque 35 para ajustar la presión en él.
El absorbente enriquecido en el tanque 31, 35 se lleva hasta una planta de regeneración a través de una línea de retorno de amina enriquecida 32, 40, respectivamente.
Para reducir la degradación del absorbente en el tanque 31, 35, respectivamente, por el oxígeno presente en el absorbente, en la línea 30 se puede introducir una columna de arrastre, no mostrada, en la que un gas de arrastre fluye a contracorriente con respecto al absorbente enriquecido. El gas de arrastre puede ser CO2 procedente del regenerador de absorbente anteriormente mencionado. El CO2 retirado de la columna de arrastre se puede secar y comprimir y exportar desde la planta puesto que el nivel de oxígeno incluso después de la separación por arrastre del absorbente es suficientemente bajo para la mayoría de aplicaciones del CO2.
Ejemplo
Se utilizaron los programas de simulación ProTreat y CO2Sim para la simulación del perfil de temperaturas en una sección de contacto de un absorbedor para el CO2.
Los valores simulados obtenidos en la simulación se compararon con los valores medidos obtenidos en una sección de contacto de ensayo que tiene un diámetro de 300 mm, utilizando MEA como amina absorbente.
Los valores simulados y los valores medidos obtenidos en el absorbedor de ensayo para una temperatura de admisión del gas de 50 °C y 90 °C se presentan en las Figuras 5 y 6, respectivamente. El gas que entra a 50 °C corresponde a un gas de escape refrigerado y humidificado típico, que tiene un punto de rocío de 47 °C aproximadamente y de esta forma está casi saturado con agua, mientras que el gas que entra a 90 °C corresponde a un gas de escape típico que se libera de una planta de energía térmica de gas natural, que tiene un punto de rocío de 44 °C aproximadamente.
Como se ilustra en la Figura 5, la temperatura en la sección de contacto se incrementa de forma sustancialmente lineal en función de la altura, debido a la reacción de absorción exotérmica entre el CO2 y la amina. La Figura 6 ilustra el hecho de que el gas que entra en la sección de contacto a una temperatura de 90 °C se enfría eficazmente mediante la evaporación de agua de la solución absorbente. A partir de una altura de 0,5 m aproximadamente, la temperatura se vuelve a incrementar debido a la reacción de absorción exotérmica tal y como se ha mencionado anteriormente. A partir de 0,5 m de altura, la diferencia de temperatura entre los dos casos es de 2 °C aproximadamente.
La Figura 7 ilustra la carga de CO2 del absorbente (moles de CO2/moles de MEA) en función de la altura de la sección de contacto para ambos casos de ensayo y simulación que tienen temperaturas de admisión de 50 y 90 °C, respectivamente. Debido a la mayor temperatura en la parte inferior de la sección de contacto, la carga es ligeramente inferior para la temperatura de admisión superior que para la temperatura inferior de los gases de escape.
Discusión
Los resultados de los ensayos y las simulaciones confirman una gran concordancia entre las simulaciones y los ensayos experimentales. Por tanto, el modelo de simulación se puede utilizar para predecir el comportamiento del absorbedor a temperaturas y humedades variables de los gases de escape.
El resultado confirma que se puede prescindir del enfriador de admisión aguas arriba de la columna de absorción en una planta para la captura de CO2 de los gases de escape de una planta de energía térmica alimentada por gas natural. El coste de prescindir del enfriador de admisión es una eficacia de absorción algo inferior. Esta eficacia de absorción inferior se puede compensar mediante un incremento de la velocidad de circulación del absorbente en un 6% aproximadamente, o un incremento de la altura de la(s) sección(es) de contacto inferior al 10%, o 0,5 m aproximadamente.
Los resultados experimentales y las simulaciones también confirman que el gas de escape caliente (90 °C) y seco se enfría hasta una temperatura que es ligeramente superior a la temperatura de un gas de escape enfriado y humidificado típico, en la parte inferior de 0,5 m o menos de la sección de contacto. Este efecto refrigerante es aportado principalmente por la evaporación del agua del absorbente. Esta evaporación concentrará la solución de amina, que puede ser favorable en la parte inferior del absorbedor.
Por consiguiente, tanto los valores simulados como los resultados de un ensayo real de una torre de absorción confirman la teoría del presente inventor de que se puede prescindir del refrigerador de admisión en una planta de energía térmica alimentada por gas natural y así posibilitar un ahorro sustancial. Este hallazgo está en contradicción con el punto de vista aceptado en la materia de que es necesario un enfriador de admisión para refrigerar los gases de escape procedentes de una planta de energía térmica antes de su introducción en una columna de absorción para la absorción del CO2.

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un procedimiento para retirar el CO2 de un gas de escape procedente de la combustión de material carbonado, procedimiento en el que el gas de escape se lleva en flujo a contracorriente con un absorbente líquido de CO2, que es una solución acuosa de aminas, en una sección de contacto de una columna de absorción, para producir un gas
    5 de escape empobrecido en CO2 que se libera a la atmósfera y un absorbente rico en CO2 que se extrae de la columna de absorción, en el que el gas de escape que se introduce en la columna de absorción comprende oxígeno, no está saturado con agua y está a una temperatura por encima de 90 °C y en el que el gas de escape se enfría por evaporación de agua del absorbente que fluye a contracorriente para saturar el gas de escape en una parte inferior de la sección de contacto de la columna de absorción.
    10 2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el absorbente se extrae de la columna de absorción inmediatamente después de salir de la sección de contacto.
  2. 3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el absorbente enriquecido que se extrae de la columna de absorción se introduce en un tanque de retención.
  3. 4. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, en el que se introduce un gas inerte en el tanque de 15 retención.
  4. 5. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el absorbente es una solución acuosa de dietanolamina, mono metil etanolamina, aminoetil etanolamina, 2-(metilamino) etanol o MDEA.
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