ES2650840B2 - Sistema integrado de captura de CO2 y producción de bicarbonato de sodio (NaHCO3) A partir de Trona (Na2CO3 - 2H2O - NaHCO3) - Google Patents

Sistema integrado de captura de CO2 y producción de bicarbonato de sodio (NaHCO3) A partir de Trona (Na2CO3 - 2H2O - NaHCO3) Download PDF

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Abstract

La presente invención presenta un sistema integrado de producción de Na{sub,2}HCO{sub,3} a partir del CO{sub,2} capturada de industrias o plantas de potencia mediante un proceso de carbonato seco partiendo de trona como materia prima (Na{sub,2}CO{sub,3} · NaHCO{sub,3} · 2H{sub,2}O) y convirtiéndola en carbonato de sodio (Na{sub,2}CO{sub,3}).#La integración optimizada del conjunto permite el acoplamiento con energías renovables a media temperatura >220°C, como pueden ser biomas o sistemas de energía solar térmica a media temperatura. El uso de los mismos resulta en un sistema global de casi cero emisiones de CO{sub,2}, siendo capaces de satisfacer las necesidades de calor del conjunto integrado, minimizando el consumo energético del sistema de captura de CO{sub,2} y conversión a bicarbonato. Esta integración optimizada reduce la penalización energética y económica de la integración del sistema de captura de CO{sub,2} y conversión a producto químico de valor añadido.

Description

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DESCRIPCIÓN
Sistema integrado de captura de CO2 y producción de bicarbonato de sodio (NaHC03) a partir de trona (Na2C03 ■ 2H20 ■ NaHC03)
SECTOR DE LA TÉCNICA
La invención se encuadra dentro del sector técnico de la captura y almacenamiento de C02 (CCS), específicamente en lo que respecta a la captura de C02 en plantas de potencia y procesos industriales y su posterior utilización (CCU) para la producción de productos químicos de interés industrial. Esta invención integra los procesos de captura de C02 y producción de bicarbonato sódico con el apoyo de energías renovables, biomasa o energía solar de media temperatura (<220°C), dando como resultado un sistema global de casi- cero emisiones con una penalización energética reducida a bajo coste.
ESTADO DE LA TÉCNICA
La captura y almacenamiento de C02 posee un gran potencial de crecimiento a escala global por la urgente necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto con el objeto de mitigar el calentamiento global. Los procesos de captura de C02 desarrollados en los últimos años a nivel de investigación y desarrollo (I + D) tienen como principales objetivos la reducción de costos y los requerimientos energéticos de los mismos, de manera que se reduzca o elimine las penalizaciones energéticas y económicas asociadas a la integración de sistemas de captura de C02. En la actualidad, la única tecnología de captura de C02 en postcombustión que opera a escala comercial está basada en la absorción química del C02 mediante aminas [1],
El proceso de captura de C02 mediante carbonato de sodio en seco (proceso de carbonatación en seco) se basa en la adsorción química del C02 en carbonato de sodio. Mediante la adsorción el carbonato de sodio (Na2C03) se convierte en bicarbonato de sodio (NaHC03) o una sal intermedia (Na2C03 • 3NaHC03) a través de la reacción química con C02 y vapor de agua [2]. El sorbente se regenera de nuevo a su forma de carbonato (Na2C03) cuando se calienta, liberando de este modo un flujo de C02 casi puro tras la condensación de vapor. La adsorción del C02 se produce a baja temperatura de operación (T <80 0 C) mientras que la regeneración del sorbente se lleva a cabo a temperaturas superiores aunque también a relativamente bajas (T>
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100 ° C). Para la regeneración completa del sorbente de manera suficientemente rápida basta con operar con temperaturas del orden de 200 0 C.
Diferentes patentes describen procesos y mejoras para optimizar la carbonatación de Na2C03, que es exotérmica [3,4]. La gestión de este calor liberado en el reactor resulta fundamental para implementar de manera eficaz el proceso en un sistema comercial minimizando la penalización energética del proceso en el que se integre.
Por otro lado, existen diferentes procesos de producción de bicarbonato sódico, solvente intermedio en el proceso de carbonatado seco. La patente de SOLVAY para producción de bicarbonato sódico ES2409084 (A1) [5], describe un procedimiento para producir bicarbonato sódico a partir de una corriente que lleva carbonato sódico, una parte de la cual es generada por un cristalizador, donde dicha corriente lleva carbonato sódico (A) con al menos 2% en peso de cloruro sódico y/o sulfato sódico. El proceso comprende un proceso de disolución acuosa, generación de cristales de bicarbonato sódico y separación de los mismos. En la patente US2015175434 (A1) [6] se describe un proceso para la producción conjunta de bicarbonato de sodio y otros compuestos alcalinos en los que se genera C02 como producto intermedio que puede ser usado para realimentar la fase de producción de bicarbonato sódico.
El Na2C03 puede obtenerse a partir de la descomposición del mineral natural trona (Na2C03 NaHC03 • 2H20), compuesto de carbonato de sodio (Na2C03) en aproximadamente un 46% y bicarbonato de sodio (NaHC03) en un 35% en peso y disponible en abundancia. La región del mundo con mayor producción de este mineral es Wyoming (Estados Unidos) cuyas minas produjeron más de 17 millones de toneladas de trona. El Servicio Geológico de EE UU en 1997 estimó que la reserva total de trona es 127 millones de toneladas, aunque sólo 40 millones de toneladas son recuperables [7], La Trona es estable hasta 57 °C en seco, y crea compuestos intermedios tales como wegschiderita (Na2C03 - 3NaHC03) y monohidrato de sodio (Na2C03 H20) entre 57 0 C y 160 ° C [8], Por encima de 160 ° C, la trona se
descompone a Na2C03 [9],
Un reto tecnológico relevante es el desarrollo de un método para la conversión de la fracción de Na2C03 en la trona en un producto comercial con valor añadido como el bicarbonato de sodio (NaHC03) que sea rentable.
La generación de bicarbonato de sodio a partir de trona está descrita en diferentes patentes [10-11]. En la patente US2013095011 (A1) [12] se describe un proceso para la producción de carbonato de sodio y bicarbonato de sodio a partir de trona. Incluye la
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molienda de la trona y su disolución en una solución con carbonato sódico y un aditivo que genere partículas sólidas suspendidas en la solución acuosa y que pueden ser separadas.
En cuanto a la generación de cristales de bicarbonato sódico a partir de trona en WO2013106294 (A1) [13] se describe un proceso de produción de cristales de bicarbonato de sodio a partir de trona y agua; en US2011064637 (A1) [14] se describe un proceso para la producción conjunta de carbonato de sodio y cristales de bicarbonato sódico a partir de polvo de sesquicarbonato de sodio. En el proceso se usa una suspensión de agua y un gas conteniendo C02. En US2009238740 (A1) [15] se presenta un método de preparación de bicarbonato de sodio a partir de trona conteniendo floruro de sodio como impureza mediante la preparación de una solución de trona e introduciendo C02 hasta que la solución alcanza un pH en el rango de 7.5 to 8.75 precipitando el carbonato sódico en la solución de trona. En US2006182675 (A1) [16] se recoge un proceso para la producción de bicarbonato obtenido a partir de trona incluyendo las etapas de purificación, evaporación-decarbonatación, cristalización, centrifugado y secado. En US2004057892 (A1 )[17] se patenta un método para producir bicarbonato sódico a partir de mineral de trona. El proceso utiliza la corriente de agua efluente de la conversión de trona a carbonato sódico como suministro para la conversión de carbonato sódico a bicarbonato sódico.
El estado actual de la técnica para la producción de NaHC03 a partir Trona se puede resumir de la siguiente manera. Un reactor tubular vertical con un fondo perforado que separa la cámara de fluidización superior de una cámara de remanso inferior se alimenta de trona natural molida. Una corriente de gas se hace pasar a través de la cámara de remanso en dirección ascendente a través del fondo perforado hacia la cámara de fluidización a una velocidad suficientemente alta para mantener una porción de la carga en suspensión, y para arrastrar los gases de descomposición, tales como vapor de agua y C02, que se generan durante la reacción. El reactor de lecho fluido actúa tanto como calcinador para la trona y como separador de las partículas finas de trona de la porción gruesa de la carga restante en suspensión en el lecho fluido.
La energía térmica requerida para convertir la materia prima (trona) en carbonato de sodio en bruto puede ser suministrada mediante el calentamiento del gas de fluidización o mediante la colocación de dispositivos de calentamiento internos o alrededor del lecho fluido, preferiblemente en el seno del mismo. La temperatura del
lecho fluido se debe encontrar en el rango de 140 ° - 220 ° C [8]. La reacción que tiene lugar en el reactor de lecho fluido es:
2(.Na2C03 ■ NaHCÜ;, • 2H20)w ^ + C02(j) + 5 H20(g)
AH298K = 133,9—[9]
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Para la producción de bicarbonato de sodio la solución de Na2C03 intermedia se centrífuga, para separar el líquido de los cristales. Los cristales son entonces disueltos en una solución de carbonato (una solución de Na2C03) en un dilutor giratorio, convirtiéndose así en una solución saturada. Esta solución se filtra para eliminar 10 cualquier material no soluble y luego es bombeada a través de un tanque de alimentación a la parte superior de una torre de carbonatación. El C02 purificado se introduce en la parte inferior de la torre de carbonatación y se mantiene presurizado. A medida que la solución de sodio saturada evoluciona a través del carbonatados se enfría y reacciona con el C02 para formar cristales de bicarbonato de sodio. Estos cristales se recogen en la 15 parte inferior del reactor y se transfirieron a otra centrifugadora, donde la solución en exceso se separa por filtración. A continuación los cristales se lavan en una solución de bicarbonato, formando en el filtrado una sustancia tipo torta lista para el secado. El filtrado que se retira de la centrifugadora se recicla al recipiente de disolución rotatorio, donde es utilizada para saturar más cristales de Na2C03 intermedios. La torta del filtro 20 lavada es secada a continuación, ya sea en un transportador de cinta continua o en un secador de tubos verticales instantáneo (flash dryer).
En la torre de carbonatación, la solución saturada de Na2C03 evoluciona desde la parte superior hacia la inferior. A medida que cae, la solución se enfría y reacciona con el C02 25 para formar cristales de NaHC03. Después de la filtración, lavado y secado, los cristales son ordenados por tamaño de partícula y se empaquetan adecuadamente. La reacción que tiene lugar en la torre de carbonatación es:
Na2C03(s) + C02{g) + H2Oig) «-> 2NaHCOs AH298K = 129,09^ [11]
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El calor requerido en este proceso endotérmico puede ser suministrado mediante combustibles fósiles o bien se podrían emplear fuentes renovables como por ejemplo energía solar o biomasa. Dado que la temperatura de operación es moderada (200°C) un sistema de cilindro-parabólico (PTC) de bajo coste se podría utilizar para suministrar el calor requerido para las reacciones endotérmicas. El concentrador cilindro-parabólico (PTC) es una tecnología de concentración solar que convierte la radiación solar en energía térmica en el receptor mediante un sistema de enfoque lineal. Las aplicaciones de los sistemas de cilindro parabólico PTC se pueden dividir en dos grupos principales. La primera y más desarrollada está asociada a plantas de energía solar concentrada (CSP) para la generación de electricidad utilizando temperaturas relativamente en torno a 300-400°C. El segundo grupo de aplicaciones se encuentra asociado al suministro de energía térmica en aplicaciones que requieren temperaturas en el rango 85 -250 ° C. Estas aplicaciones, que utilizan principalmente calor de proceso industrial, pueden ser limpieza, secado, evaporación, destilación, pasteurización, esterilización, , entre otros, así como aplicaciones con demanda de calor a baja temperatura y altas tasas de consumo (agua caliente sanitaria, calefacción, piscinas climatizada), así como refrigeración a base de calor [18]. Actualmente el término colectores de media temperatura se utiliza para hacer referencia a los colectores que operan en el rango de 80-250 ° C.
En cuanto a sistemas de captura de C02 con producción de bicarbonato de sodio, en US20100028241A1 [20] y W02009029292A1 [21] se presenta un sistema de reacciones para la captura parcial de carbono (C02 y CO) en plantas de carbón y producción de hidrógeno y compuestos hidrogenados a partir de cloruro sódico NaCI, carbón y agua. El hidróxido de sodio generado a partir del cloruro es usado para producir carbonato sódico y bicarbonato. Las reacciones químicas entre los gases, el hidróxido, el carbono o el gas natural producen carbonato sólido e hidrógeno, sustancias con valor que pueden venderse o usarse para generar electricidad. En WO2011075680A1 [22] se describe un proceso mediante el cual el C02 es absorbido por una mezcla cáustica acuosa para reaccionar a continuación con un hidróxido y formar carbonato/bicarbonato. Ello Implica el uso de un proceso de separación de la mezcla líquida y uso de un proceso de electrólisis. En la patente US20060185985A1 [23] se presenta este mismo proceso de uso de hidróxido y electrólisis para obtener carbonato y bicarbonato a partir de C02 capturado por una mezcla acuosa. Estas soluciones acuosas para captura de C02 se describen en la patente US20100051859A1 [24] en la cual se procesa agua para generar una solución ácida y otra alcalina que captura el C02.
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La invención que se presenta en este documento consiste en la integración sinérgica de: i) un sistema de captura de C02 basado en ei uso de trona como precursor de Na2C03 que será usado como sorbente de C02; ii) captura de C02 de gases efluentes mediante un proceso de captura de carbonato seco (proceso de carbonatación en seco), por tanto no basado en soluciones acuosas como las patentes anteriormente citadas; iii) proceso de producción de bicarbonato de sodio como producto en parte reutilizado en el proceso de captura y en parte destinado a su venta.
Esta integración sinérgica de ambos procesos arroja diversas ventajas como son: i) el consumo energético permite la integración con fuentes de calor para la regeneración del sorbente basados en energías renovables como son biomasa o energía solar de media temperatura (<220°C) ; ii) sorbente: el bicarbonato producido en el proceso a su vez permite la regeneración de la materia prima usada en el proceso de captura de C02 mientras que el bicarbonato en exceso producido es un producto de valor económico cuya venta reduce la penalización económica de la planta; iii)) la integración propuesta usando como fuentes de calor energía renovable (solar ,biomasa, eólica) da lugar a sistemas globales de cero emisiones de C02 con una reducida penaiización de prestaciones del sistema integrado y baja penalización energética
Referencias
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[14] DAVOINE PERRINE; COUSTRY FRANCIS M; DETOURNAY JEANPAUL; ALLEN KURT, PROCESS FOR THE JOINT PRODUCTION OF SODIUM CARBONATE AND SODIUM BICARBONATE, U.S. Patent No. US2011064637 (A1)
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[16] CEYLAN ISMAIL; UGURELLI ALI; DILEK NOYAN,PROCESS FOR PRODUCTION OF DENSE SODA, LIGHT SODA, SODIUM BICARBONATE AND SODIUM SILICATE FROM SOLUTIONS CONTAINING BICARBONATE, U.S. Patent No. US2006182675 (A1
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DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1. Representación esquemática de la invención con representación de las diferentes corrientes de sólidos y gases e interacción entre los subsistemas de captura de C02 y generación de NaHC03.
5 Figura 2. Representación esquemática del subsistema de captura y almacenamiento de C02 mediante el proceso de carbonatación seca. La figura ilustra una posible configuración para e! subsistema de captura de C02. Se muestran las diferentes unidades de proceso de reacción, el intercambio de calor, separación y compresión.
Componentes
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Flujos
F1.
F2.
F3.
F4.
F5.
F6.
F7.
F8.
F9.
F10.
F11.
Significado
Planta de producción de energía eléctrica Intercambiador de calor agua-humos Reactor de captura de C02 Separador de sólido-gas Intercambiador de calor NaHC03-Na2C03 Regenerador sorbente Separador de sólido-gas Enfriador C02 (20°C)
Compresor C02 (1-10 bar)
Enfriador C02 (20°C)
Compresor C02 (10-25 bar)
Enfriador C02 (20°C)
Compresor C02 (25-75 bar)
Enfriador C02 (20°C)
Significado
Humos a la salida de la planta de producción de energía
Agua para el reactor de captura de C02 Make-up del sorbente que se necesita cada ciclo Producto a la salida del carbonatador Humos a la salida del carbonatador Sólidos a la salida del carbonatador ( 60°C)
Sólidos en entrada al regenerador(140°C)
C02 recuperado del sistema Na2C03 regenerado (80°C)
Na2C03 regenerado (200°C)
C02 enviada a Sistema de almacenamiento (20 °C, 75 bar)
Figura 3. Representación esquemática del subsistema de producción de bicarbonato de sodio. La figura ilustra una posible configuración para la producción de NaHC03. Usnado mineral natural Trona y C02 proveniente del subsistema de captura (C02EN). El exceso de Na2C03 se envía al subsistema de captura para makup sorbente. Las
diferentes unidades de proceso de reacción, el intercambio de calor y se muestra la separación de los productos.
Componentes
15.
16.
17.
18.
19.
20.
Flujos
F12.
F13.
F14.
F15.
F16.
F17.
F18.
F19.
F20.
F3.
F21.
F11.
F22.
F23.
F24.
Significado
Intercambiador de calor Trona - Na2C03
Reactor de lecho fluido
Separador de sólido-gas
Intercambiador de calor Agua - Agua+C02
Reactor de captura de C02 y producción NaHC03
Separador de sólido-líquido
Significado
Trona triturada
Trona caliente en entrada al reactor de lecho fluido(125°C)
Producto a la salida del reactor de lecho fluido C02 y vapor de agua (220°C)
C02 y agua ( 95 °C)
Agua (35 °C)
Vapor de agua sobrecalentado (205°C)
Na2C03 caliente (220°C)
Na2C03 enfriado (40 °C)
Make up del sorbente que se necesita cada ciclo Producto en entrada al reactor de producción de NaHC03
C02 de sistema de captura
Producto a la salida del reactor de producción de NaHC03
Agua de proceso
NaF)C03 producto del sistema
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DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema integrado de producción de bicarbonato de sodio (Na2HC03) a partir del C02 capturado mediante un proceso de carbonatación
10 en seco partiendo de trona (Na2C03 • NaHC03 ■ 2FI20) como materia prima y convirtiéndola en carbonato de sodio (Na2C03). Parte del Na2C03 se recicla como sorbente en el proceso de captura de C02 y el resto se usa junto con parte del C02 capturado para la producción de bicarbonato sódico como producto químico de valor comercial.
15 La integración optimizada del conjunto permite el acoplamiento de un sistema de aporte de calor a media temperatura, que puede estar basado en energía solar térmica a media temperatura o bien en biomasa, capaz de satisfacer las necesidades de calor del conjunto integrado, minimizando con ello el consumo energético del sistema de
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captura de C02 y producción de bicarbonato. Esta integración optimizada reduce la penalización energética y sobre todo económica de la captura de C02. En función de la configuración adoptada la energía térmica a aportar para la captura de C02 es del orden de 915 kWhth por tonelada de C02 capturado, mientras que el consumo de energía térmica para la conversión de C02 a bicarbonato sodico tendría un consumo de energía térmica del orden de 250 kWhth por tonelada de NaHC03 producido. A estos consumos se añade el consumo energético asociado a la compresión de C02 para su almacenamiento, que en el caso de un incremento de presión desde presión atmosférica a 75 bar es del orden de 112 kWhe, por tonelada de C02.
El sistema propuesto está compuesto por dos subsistemas, uno asociado con el proceso de carbonatación seca para la captura de C02, basado en el uso de carbonato de sodio como sorbente de C02 y otro relacionado con la producción de bicarbonato de sodio a partir de trona.
El esquema conceptual del sistema integrado se muestra en la figura 1 donde ilustra la estructura lógica de integración de corrientes entre ambos procesos de captura y generación de bicarbonato sódico con parte del C02 capturado. El proceso además permite la regeneración del mismo y el control de la cantidad de C02 capturado y Na2C03 recirculado para optimizar el modo de operación, los consumos energéticos y el retorno económico del conjunto del sistema.
Las unidades principales del primer subsistema (captura de C02) se muestran en la Figura 2 y consisten en un reactor de captura de C02 (carbonatador), un reactor de desorción (regenerador), dos unidades de separación, intercambiadores de calor para la recuperación de calor, unidad de condensación de agua en el final del proceso y compresores para el C02puro.
Los elementos que componen el segundo subsistema, conversión de C02 a bicarbonato sódico utilizan (figura 3) unidades similares: un reactor de lecho fluido para la conversión de trona en carbonato sódico, una torre de carbonatación para la producción de bicarbonato de sodio, dos unidades de separación e intercambiadores de calor para recuperación de calor y optimización energética de los procesos.
En el subsistema para la captura de C02 (Figura 2), los gases de combustión, procedentes de planta de potencia de combustible fósil o una aplicación industrial, se envían a la torre de carbonatación. En el carbonatador, C02, H20 y Na2C03 reaccionan exotérmicamente para formar NaHC03. Este reactor opera a baja temperatura (T = 60 ° C) y presión atmosférica (p = 1 atm), por lo que el calor liberado se puede utilizar para almacenamiento térmico a baja temperatura. El sistema integra un separador que permite dividir la corriente de solución de bicarbonato de la corriente
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de gas de combustión residual. Con esta configuración un 90% de C02 de entrada puede ser capturado. La corriente de bicarbonato saliente es enviada a un regenerador. En el mismo, la reacción inversa (endotérmica) tiene lugar, conduciendo a la formación de Na2C03, H20 y C02 a partir de NaHC03. Este calor puede ser suministrado por una fuente a moderada temperatura tanto de origen fósil como renovable. Con objeto de no introducir nuevas emisiones de C02 con combustible fósil se puede suministrar calor procedente bien de biomasa o bien de energía solar mediante un sistema basado en cilindros parabólico especialmente apropiados para operar a media temperatura (200 °C). En el regenerador las corrientes de salida se separan: el Na2C03 se envía de nuevo a la torre de carbonatación, mientras que el C02 no empleado en la generación de bicarbonato se envía a una etapa de condensación de agua y posterior compresión para su almacenamiento. Para reducir la potencia de accionamiento de estos compresores es necesaria refrigeración intermedia. El sistema necesitará un cierto aporte de sorbente para reemplazar el Na2C03 desactivado por reacciones irreversibles asociadas a la reacción con S02 y HCI que normalmente están presentes en los gases de combustión.
El segundo subsistema (Fig. 2) utiliza una fracción del C02 capturado en el primer subsistema y trona para producir NaHC03. El mineral de trona molido es introducido en el reactor de lecho fluido junto con vapor sobrecalentado a 200 0 C. El reactor de lecho fluido opera en el rango de 200- 220 ° C y presión atmosférica. Bajo estas condiciones de operación la trona se convierte en Na2C03. Un flujo adicional de C02 y vapor de agua es generado durante la conversión de la trona que es separado del flujo de Na2C03. Parte del flujo de Na2C03 es enviado al subsistema de captura mediante carbonato seco como sorbente fresco de reposición, mientras que el resto se envía a una torre de carbonatación junto con la corriente de C02 y H20, y C02 puro adicional del subsistema de captura (Fig. 1) con el fin de producir NaHC03, producto con valor añadido para la industria química y adecuado para la venta.
En la invención propuesta el C02 procedente bien de plantas de potencia de combustible fósil (carbón, gas natural o fuel oil), o bien procedente de procesos industriales (refinerías, plantas cementeras, industria metalúrgica, etc.) es capturado mediante el proceso de carbonatación seca (dry carbonate) usando como materia prima un mineral abundante en la naturaleza y de relativo bajo coste (mineral de trona).
La integración optimizada de la captura de C02 y producción de bicarbonato sódico da lugar a una configuración sinérgica en cuanto a consumo energético y costes asociados de los procesos de captura de C02 y conversión a producto químico de alto
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valor añadido (bicarbonato sódico). La integración de ambos presenta una penalización energética de la planta de potencia (o industria emisora de C02 a la que se aplique) moderada frente a la que tiene con otros sistemas de captura de C02. Esta penalización energética va asociada a la energía extra consumida en los procesos. El calor suministrado tanto en el regenerador del sorbente en el subsistema de captura de C02 como en el reactor de lecho fluido en el subsistema de producción de bicarbonato de sodio puede tener como origen tanto combustible fósil, con la correspondiente penalización en cuanto a emisiones de C02 adicionales y coste de operación o bien fuentes renovables que permitan emisiones prácticamente nulas de C02. Esto se puede alcanzar bien mediante el uso de biomasa o bien por energía solar a media temperatura. En ambos casos y gracias a la optimización de la integración de subsistemas realizada en esta invención en cuanto a condiciones de operación y fracción de C02 capturado en los gases de escape utilizada para la producción de un producto químico con valor añadido (NaHC03). Además el propio proceso genera el sorbente de reposición para el proceso de captura en la planta. Por tanto se tiene una sinergia del conjunto integrado frente al comportamiento de los sistemas aislados. Esto se traduce en un claro beneficio energético, medioambiental y económico de la integración de sistemas no esperable del análisis del comportamiento aislado de los mismos y con clara ventaja frente a otros sistemas de captura (o captura y uso de C02).
La captura de C02 y el subsistema de almacenamiento mostrado en la Fig. 2 utiliza un intercambiador de calor sólido-sólido (HEATEXCH) entre los dos reactores para reducir la cantidad total de calor requerido en el regenerador. Este intercamblador de calor permite un aumento de las temperaturas en el regenerador, lo que mejora la velocidad de reacción, con un pequeño gasto adicional de energía térmica. En la Figura 3 se muestra el esquema de una posible configuración para producción de bicarbonato de sodio. Antes de entrar en el reactor de lecho fluido, la trona, en condiciones ambiente, pasa a través de un intercambiador de calor sólido - sólido (HEATEXT) donde intercambia calor con la corriente de Na2C03 que sale del reactor de lecho fluido. Otro intercambiador de calor (HEATEXW) es utilizado para calentar el agua que entra en el lecho fluido a partir de los gases salientes del mismo, lo que permite aportar al reactor vapor de agua sobrecalentado.
La sinergia obtenida al integrar ambos sistemas viene reflejada en el diagrama de flujo de la figura 1.
• Para la producción de NaHC03 a partir de trona, el C02 necesario lo suministra el subsistema de captura de C02 (x*C02 del diagrama). Por tanto se da uso a
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parte del C02 capturado y el resto se almacena, dando lugar a una nueva aplicación de CCUS (captura de dióxido de carbón, utilización y almacenamiento) no identificada hasta la fecha
• Para la captura de C02 en el proceso de carbonato seco hace falta un aporte de Na2C03 fresco, que con la integración propuesta lo suministra el subsistema de producción de Trona (MAKEUP en la figura 1). Esto abarata de modo sustancial el sistema de captura, siendo esto novedoso.
Las ventajas que presenta esta tecnología son:
- Tecnología de captura de C02 en plantas térmicas de combustible fósil y en plantas industriales con una reducida penalización energética y económica del conjunto.
- Tecnología de captura de C02 y conversión a producto químico con valor añadido, bicarbonato sódico, tanto para plantas térmicas de combustible fósil como para otras plantas industriales emisoras de C02 con un importante retorno económico debido a que el efecto de penalización energética es suplido por la venta de NaHC03. Además genera la cantidad de sorbente fresco que es necesario reponer debido a su desactivación
- Una fracción del C02 capturado es integrado en la producción de bicarbonato sídoco, lo que reduce/elimina requerimientos de almacenamiento del mismo. Ello aumenta la sostenibilidad del proceso de captura deC02.
- En el caso de integración de fuente de energía renovable (biomasa o solar de media temperatura) se obtiene un sistema global de casi cero emisiones de C02 tanto para plantas de potencia de combustible fósil como para otras plantas industriales. Incluye sectores industriales como el carbón, acerías, cemento.
- Permite optimizar la configuración de la integración y la fracción de Na2C03 recirculado y C02 almacenado en forma de bicarbonato en función de los requerimientos de producción desde el punto de vista medioambiental en función de las características de la integración.
- Puede ser incorporada en plantas térmicas e industriales existentes sin penalización relevante en las prestaciones de las mismas.
MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
A modo de ejemplo de la invención, se muestra el proceso de producción de bicarbonato de sodio utilizando el C02 capturado mediante un proceso de 5 carbonatación seca en una central eléctrica de carbón (150 MWei). Los gases de combustión de la planta presentan una concentración de C02 (~ 15% vol). Los datos principales de la central de carbón se muestran en la Tabla 1.
Item
Magnitud Unidades
Consumo de carbón
61 ton/hr
Flujo de Aire Potencia bruta
692 ton/hr
aportada Potencia neta
447 MWth
aportada Potencia neta
397 MWth
producida
150 MWel
Rendimiento neto
33,5 %
Tabla 1: Datos del ejemplo de invención. Central térmica de referencia. Planta de
carbón de 150 MWel
La Tabla 2 muestra los flujos molares de los gases de combustión tomados para 15 ilustrar la invención.
Compuesto de la corriente de salida
Flujo molar( kmol/hr) Gasto másico( tons/hr)
n2
17154,21 529,71
co2
3085,62 135,96
H20
1471,86 29,4
02
781,8 27,57
co
140,7 3,93
NO
135,36 4,47
S02
37,53 2,64
Tabla 2: Composición de los gases de escape en la central térmica de carbón de
referencia
Otros parámetros empleados en el análisis se muestran en la Tabla 3 mientras que en la Tabla 4 se muestran los consumos energéticos asociados a los diferentes componentes.
Temperatura del regenerador
200 °c
Temperatura del reactor de lecho fluido
220 °c
Temperatura de Carbonación e
60 °c
Actividad de Na2C03
0.75
Mínima diferencia de temperatura intercambiadores
en 15 °c
Consumo de transporte de sólidos
5,5 kwhei/tn
Horas solares de referencia
12
Rendimiento isentrópico de compresores
0.9
Presión de almacenamiento de C02
75 bar
Tabla 3: Parámetros de referencia para el ejemplo de invención
CFFP
Calor Regenerador Potencia compresión de C02 Potencia Transporte de sólidos
Potencia neta Reactores de lecho fluido Calor total requerido
Potencia
Potencia
generada
consumida
150 MWe|
447 MWth 114 MWtfl 13,3 MWe,
2,47 MWei
134,23 MWe,
51 MW 612 MWtfl
Table 4: Consumo de energía en la planta de referencia del ejemplo de invención con 10 el sistema de captura de C02 y producción de NaHC03.
El subsistema de captura tiene un rendimiento del 90%. Para ello utiliza 430 ton / hr de Na2C03 como sorbente para eliminar 125 ton/ hr de C02 en un ciclo continuo. El flujo de sorbente de reposición es cercano a 3 ton / hr. Como se muestra en la Tabla 4, el 15 calor necesario para la regeneración del sorbente después de la captura de C02 es 114 MWth. El consumo de energía para la compresión de C02 y de transporte de sólidos asciende a 16 MWei. El rendimiento total de la planta integrada (planta de combustión de carbón + captura) considerando el aporte de calor requerido la potencia consumida se reduce de 33,5% a 24%. Considerando sólo el efecto de la potencia 20 requerida para la compresión y transporte, para este ejemplo la reducción en la
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energía eléctrica disponible es del 10% lo cual supone un efecto sobre el rendimiento global del 3%. Teniendo en consideración que las temperaturas en los reactores permiten la integración de aporte de energía solar, el conjunto del sistema podría operar con una penalización sobre el rendimiento económico (energía disponible/energía comprada) inferior al 3% consiguiendo casi cero emisiones.
En el subsistema de producción de NaHC03 (Fig 3), el calor requerido en el reactor de lecho fluido para descomponer 192 ton / hr (53,3 kg / seg) de trona es 51 MWth a T = 220 0 C para producir 135,5 ton / hr de Na2C03 (además de 18,5 ton / hr de C02 y 40 ton / h de agua). 3 tn / h de Na2C03 se destinan como sorbente de reposición para el proceso de captura de C02. El resto (132,5 ton / hr) se envía a la torre de carbonatación donde reacciona con 37,5 ton / hr de C02 procedentes del sistema de captura de C02 (además de C02 efluente del lecho fluido) para producir NaHC03. De la reacción Na2 C03 + H20 + C02 —* 2NaHC03 resulta que 207,5 ton / hr de NaHC03 se producen con un caudal total de aproximadamente 95 m3 / hr. De esta manera, se obtiene un producto químico de alto valor económico (NaHC03) a partir de una materia prima como la trona, abundante y de relativo bajo coste y de parte del C02 capturado (de centrales térmicas o procesos industriales). Este proceso integrado de captura y conversión a NaHC03 reduce (y elimina en función del modo de operación elegido) la necesidad de almacenamiento total de C02, con los requerimientos de sistema de compresión y penalización energética que conlleva.
El rendimiento global del sistema, y la energía eléctrica disponible/requerida se reduce por la integración de la producción de bicarbonato de sodio, que a su vez captura C02 que no necesita ser comprimido. El ingreso económico asociado al nuevo producto compensa la penalización asociada a este proceso. Las necesidades totales de calor se incrementan teniendo en cuenta los 51 MW térmicos requeridos en el reactor de lecho fluido.

Claims (9)

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    10
    15
    20
    25
    30
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    REIVINDICACIONES
    1. Sistema integrado de captura de C02 y producción de bicarbonato de sodio (Na2HC03) caracterizado porque comprende:
    a. Captura de C02 mediante un proceso de carbonatación en seco
    b. Conversión de trona (Na2C03 • NaHC03 2H20) en carbonato de sodio (Na2C03)
    c. Generación de bicarbonato sódico a partir del Na2C03 generado y del C02 capturado.
  2. 2. Sistema integrado de captura de C02 y generación de NaHC03 según
    reivindicación 1 caracterizado porque se integra en la corriente de salida de plantas térmicas de combustible fósil y en instalaciones industriales emisoras de C02.
  3. 3. Sistema integrado de captura de C02 y generación de NaHC03 según
    reivindicación 1 caracterizado porque el subsistema de captura de C02 es mediante el proceso de carbonatación seca.
  4. 4. Sistema integrado según las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado por el aporte de calor a temperatura media (140 -230 0 C) para la regeneración del sorbente y disociación de la trona en el proceso de captura de C02 es a partir de energías renovables, tecnología solar térmica de media temperatura o biomasa.
  5. 5. Sistema integrado de captura de C02 y generación de NaHC03 según
    reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque permite generar sistemas de casi-
    cero emisiones de C02, con una eficiencia de captura >90%, en tecnologías basadas en combustible fósil mediante el soporte de energías renovables que para plantas de carbón es del orden del 10% del calor total aportado en el conjunto.
  6. 6. Sistema integrado de captura de C02 y generación de NaHC03 según
    reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque para la producción de NaHC03 a partir de Trona, el C02 necesario es suministrado por el subsistema de captura de C02.
  7. 7. Sistema integrado de captura de C02 y generación de NaHC03 según
    reivindicación 6 caracterizado porque el C02 necesario para la producción de bicarbonato sódico proviene del C02 capturado y a su vez la conversión a bicarbonato sódico fija de manera permanente el C02 capturado
  8. 8. Sistema integrado de captura de C02 y generación de NaHC03 según
    reivindicaciones 1 a 7 caracterizado porque genera internamente el sorbente
    fresco (Na2C03) que es necesario reponer para mantener activo el proceso de captura de C02 y permite generar el Na2C03 de reposición necesario para el proceso de carbonatación seca a partir de la calcinación de la trona para producción de bicarbonato.
  9. 9. Sistema integrado de captura de C02 y generación de NaHC03 según reivindicaciones 1 a 8 caracterizado porque permite reducir los requerimientos energéticos del conjunto: composición y temperatura de corrientes en regenerador del carbonato sódico en el proceso de captura de C02 y calcinador de la trona (150-220°C), y corrientes en ambas torres de carbonatación (60°C).
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