ES2913930T3 - Procedimiento para obtener dióxido de carbono de humos de combustión de horno - Google Patents

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Abstract

Un procedimiento para obtener dióxido de carbono de humos de combustión de horno, que comprende las etapas de: (a) descargar los humos de combustión de un horno, en el que dichos humos de combustión contienen aire enriquecido con dióxido de carbono y vapor de agua; (b) comprimir los humos de combustión de horno a un valor de presión P1, en el que P1 sea mayor que la presión atmosférica, mientras se enfrían los humos de combustión durante la compresión de modo que su temperatura no supere los 80 °C, obteniendo así la formación de agua líquida y de un gas comprimido que contiene aire enriquecido con dióxido de carbono; (c) separar el agua líquida del gas comprimido obtenido en la etapa precedente; (d) expandir el gas comprimido a un valor de presión P2, en el que P2 sea mayor que a la presión atmosférica y sea menor que P1, obteniendo así un gas expandido; (e) separar el dióxido de carbono haciendo pasar el gas expandido obtenido en la etapa precedente a través de un filtro que comprende un material separador de gases seleccionado del grupo que consiste en fulerenos, zeolitas naturales, zeolitas sintéticas, fosfatos de aluminio, cianocomplejos poliméricos y cualquier combinación de los mismos, obteniendo así dióxido de carbono gaseoso sustancialmente puro.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento para obtener dióxido de carbono de humos de combustión de horno
La presente invención se encuadra, en general, dentro del campo de los procedimientos para la recuperación y reutilización de dióxido de carbono presente en humos de combustión que, como se sabe, están significativamente enriquecidos en dióxido de carbono en comparación con la cantidad de este gas en el aire. Más específicamente, la invención se refiere a un procedimiento para obtener dióxido de carbono de humos de combustión de horno ("humos de horno") y opcionalmente para la posterior producción de hielo seco.
La combustión de metano u otros hidrocarburos, tales como gasoil y fueloil, en hornos produce humos que contienen un alto porcentaje de dióxido de carbono. Como se sabe, el dióxido de carbono es el principal gas responsable del efecto invernadero. Por lo tanto, sería deseable tener un procedimiento a bajo coste para la recuperación y reutilización de dióxido de carbono producido por la combustión en hornos. De hecho, este gas es un residuo industrial y una sustancia nociva para el medioambiente. La recuperación de dióxido de carbono de los humos de horno, para hacer que esté disponible para su reutilización en diversos tipos de procedimientos industriales, evitaría su liberación a la atmósfera, con significativos beneficios tanto en términos económicos como medioambientales.
El dióxido de carbono está contenido en el aire en un porcentaje de un 0,041 %. Su separación de los demás gases que constituyen el aire, es decir, oxígeno (20,9 %) y nitrógeno (78,09 %), requeriría, por lo tanto, la filtración de grandes cantidades de aire, con un significativo consumo de energía y un mal rendimiento. Dados los altos costes y los bajos rendimientos de producción, actualmente no existe una gran demanda de producción de dióxido de carbono industrial. En la industria, de hecho, se produce principalmente como un residuo de la destilación del aire para la producción de oxígeno y nitrógeno, para los que, en cambio, existe una gran demanda. Poder recuperar dióxido de carbono de los humos de combustión de una manera simple y asequible representaría, por lo tanto, una etapa fundamental para hacer que este producto esté disponible para su uso ventajoso en procedimientos industriales en los que sea adecuado para su uso, tales como, por ejemplo, en el desengrasado y limpieza de aluminio, acero, titanio y aleaciones relacionadas para piezas y equipos aeronáuticos y de otro tipo, para la corrección ácida de baños galvánicos, el tratamiento de aguas residuales, el mantenimiento de la cadena de frío y el acondicionamiento ambiental.
La disponibilidad del dióxido de carbono a bajo coste permitiría, por lo tanto, que estos y otros procedimientos industriales mejorasen y fueran más eficaces y económicos.
El documento US 2018/236395 A1 se refiere a un aparato de recuperación y procedimiento de recuperación de dióxido de carbono que recuperan dióxido de carbono de un gas que contiene dióxido de carbono, tal como un gas de combustión, de acuerdo con un procedimiento de adsorción por oscilación de presión.
Para satisfacer estas y otras necesidades y superar las limitaciones de la técnica anterior, la presente invención proporciona un procedimiento para obtener dióxido de carbono de humos de combustión de horno, que comprende las etapas de:
(a) descargar los humos de combustión de un horno, en el que dichos humos de combustión contienen aire enriquecido con dióxido de carbono y vapor de agua;
(b) comprimir los humos de combustión de horno a un valor de presión P1, en el que P1 sea mayor que la presión atmosférica, mientras se enfrían los humos de combustión durante la compresión de modo que su temperatura no supere los 80 °C, obteniendo así la formación de agua líquida y de un gas comprimido que contiene aire enriquecido con dióxido de carbono;
(c) separar el agua líquida del gas comprimido;
(d) expandir el gas comprimido a un valor de presión P2, en el que P2 sea mayor que a la presión atmosférica y menor que P1, obteniendo así un gas expandido;
(e) separar el dióxido de carbono haciendo pasar el gas expandido obtenido en la etapa precedente a través de un filtro que comprende un material separador de gases seleccionado del grupo que consiste en fulerenos, zeolitas naturales, zeolitas sintéticas, fosfatos de aluminio, cianocomplejos poliméricos y cualquier combinación de los mismos, obteniendo así dióxido de carbono gaseoso sustancialmente puro.
De forma ventajosa, el procedimiento de la invención como se define anteriormente permite que se obtenga dióxido de carbono gaseoso sustancialmente puro, que es altamente adecuado para usarse para la posterior producción de hielo seco.
Para la producción de hielo seco, después de las etapas de (a) a (e) previamente definidas, se llevan a cabo las siguientes etapas adicionales:
(f) comprimir el dióxido de carbono gaseoso sustancialmente puro obtenido en la etapa (e) a un valor de presión P3, en el que P3 sea mayor que la presión atmosférica, mientras se enfría el dióxido de carbono gaseoso durante la compresión; y
(g) expandir el dióxido de carbono a presión atmosférica (es decir, aproximadamente 1 bar), obteniendo así un enfriamiento rápido del dióxido de carbono y la formación de hielo seco.
De acuerdo con un modo de realización preferente del procedimiento de la invención, los humos de combustión empleados en la etapa (a) tienen una concentración de dióxido de carbono de desde un 8 a un 15 %. Se entiende, por el experto en la técnica, que la concentración de dióxido de carbono en los humos de combustión depende de diversos factores, incluyendo el tipo de horno y el tipo de combustible usado en él. Típicamente, los hornos de metano producen humos de combustión que tienen una concentración de dióxido de carbono de desde un 8 % a un 12 %; los hornos de gasoil producen humos de combustión que tienen una concentración de dióxido de carbono de desde un 10 % a un 15 %; los hornos de fueloil producen humos de combustión que tienen una concentración de dióxido de carbono de desde un 9 % a un 14 %.
Como se indica anteriormente, los humos de combustión usados como material de partida para obtener dióxido de carbono también contienen vapor de agua, que típicamente tiene una concentración de desde un 15 % a un 25 %.
Por supuesto, después de la primera etapa de compresión (etapa (b)) y la posterior etapa separación de agua líquida (etapa (c)) del procedimiento, se incrementa la concentración de dióxido de carbono en el gas comprimido.
En un modo de realización preferente, la compresión en la etapa (b) se lleva a cabo a un valor de presión de entre 15 y 25 bar. La presión óptima en esta etapa es de aproximadamente 15 bar.
La compresión en la etapa (b) se lleva a cabo enfriando el gas de modo que su temperatura no supere los 80 °C, y, en general, es preferente enfriarlo a una temperatura de desde 20 °C a 50 °C. Otros valores de temperatura preferentes en esta etapa son 25 °C, 30 °C, 35 °C, 40 °C o 45 °C.
De acuerdo con un modo de realización preferente, la compresión en la etapa (b) se logra usando un compresor, y el agua líquida obtenida en la etapa (c) se separa purgándola desde la parte inferior del compresor.
Después de la separación del agua líquida, el gas comprimido obtenido en la etapa (b) se expande en la etapa (d) a una presión P2 mayor que la presión atmosférica y menor que P1, en general, de entre 5 y 14 bar. Es preferente que esta etapa de expansión se lleve a cabo sin ajustar la temperatura del gas.
De acuerdo con un modo de realización preferente, la etapa de expansión (d) se lleva a cabo usando una turbina, es decir, un generador de electricidad que recupera las energías potencial y cinética disipadas por el fenómeno de la reducción de la presión del gas.
Posteriormente, en la etapa (e), el gas expandido se envía a un filtro que comprende un material separador de gases, a través del que se separa el dióxido de carbono contenido en el gas expandido de los demás gases en el mismo, es decir, principalmente oxígeno y nitrógeno. Los materiales de separación de gases adecuados son conocidos per se por el experto en la técnica e incluyen fulerenos (preferentemente buckytubos, también denominados "nanotubos de carbono"), o tamices moleculares, tales como zeolitas naturales, zeolitas sintéticas, fosfatos de aluminio, cianocomplejos poliméricos, y combinaciones de los mismos.
Los materiales de separación de gases preferentes dentro del alcance de la presente invención son fulerenos (más preferentemente nanotubos de carbono) y zeolitas (preferentemente zeolitas sintéticas de 4 ángstrom). Sin pretender vincularse a ninguna teoría, se cree que la separación del dióxido de carbono se debe al hecho de que, dado que la molécula de dióxido de carbono es mucho más grande que las moléculas de nitrógeno y oxígeno, la frecuencia de los impactos contra la estructura del fulereno u otros materiales de separación de gases es considerablemente menor, de modo que la adsorción de moléculas de CO2 sobre el material de separación es mayor en comparación con las moléculas de O2 y N2 , lo que finalmente permite que el CO2 se separe de O2 y N2. Lavar el filtro con aire a baja presión (preferentemente entre 1,5 y 2 bar) permite que el dióxido de carbono se desorba del filtro y separe del oxígeno y nitrógeno. Por lo tanto, después de un tiempo variable comprendido, en general, entre 10 y 30 minutos (un tiempo que, en cualquier caso, es dependiente del tamaño de la columna que contiene los fulerenos y/o zeolitas y de su compacidad en la misma), el gas que sale del filtro está compuesto de dióxido de carbono gaseoso sustancialmente puro altamente concentrado. Dentro del alcance de la presente descripción, se pretende que la expresión "sustancialmente puro" signifique una pureza de aproximadamente un 99,0 %, aproximadamente un 99,1 %, aproximadamente un 99,3 %, aproximadamente un 99,4 %, aproximadamente un 99,5 %, aproximadamente un 99,6 %, aproximadamente un 99,7 %, aproximadamente un 99,8 %, aproximadamente un 99,9 % o aproximadamente un 100 %.
En un modo de realización preferente, el filtro usado en el procedimiento de la invención es una columna rellena con el material separador de gases (preferentemente nanotubos de carbono y/o zeolitas) y el gas expandido en la etapa (e) se envía a presión a la columna, preferentemente entre 6,5 y 8,5 bar. Incluso más preferentemente, en el procedimiento de la invención, se usan dos columnas en paralelo, una a presión y la otra para el lavado, alternando repetidamente para obtener un flujo de salida constante de dióxido de carbono gaseoso sustancialmente puro.
Como se indica anteriormente, el dióxido de carbono gaseoso sustancialmente puro obtenido por el procedimiento de la invención se puede usar de forma ventajosa para la producción de hielo seco, es decir, dióxido de carbono en forma sólida.
Para este propósito, el flujo de dióxido de carbono gaseoso sustancialmente puro obtenido en la etapa (d), en primer lugar, se comprime (etapa (e)), preferentemente por medio de un compresor, a una presión P3, en el que P3 sea mayor que la presión atmosférica, mientras se enfría, y, a continuación, se expande a presión atmosférica (aproximadamente 1 bar), en general, sin ajustar la temperatura (etapa (f)). La temperatura de enfriamiento en la etapa (e) es preferentemente de aproximadamente -25 °C y la presión P3 es preferentemente de entre 15 y 25 bar. Con la posterior expansión, la temperatura del dióxido de carbono disminuye rápidamente, hasta aproximadamente -80 °C, lo que da como resultado la formación de hielo seco.
El procedimiento de la presente invención permite de forma ventajosa que se produzca dióxido de carbono de una manera simple y asequible, tanto en forma gaseosa como sólida, recuperándolo de los humos de combustión de horno, evitando así su dispersión a la atmósfera, con significativas ventajas medioambientales.
Además, el dióxido de carbono obtenido encuentra diversas aplicaciones en la industria, donde se presta a aprovecharse en diversas formas. El dióxido de carbono en forma sólida, es decir, como hielo seco, se puede usar, de hecho, como un abrasivo suave ("limpieza por chorro de dióxido de carbono sólido") para limpiar herramientas y, en el campo de la aeronáutica, para decapar aviones enteros. Otro uso industrial del dióxido de carbono en forma sólida es en la cadena de frío, puesto que la temperatura del hielo seco es de -50 °C a presión ambiental. Por lo tanto, a través del uso de bombas de calor sería posible aprovechar la baja temperatura del hielo seco para acondicionar el ambiente y frigoríficos. Se puede usar dióxido de carbono en forma de gas para acidificar baños de tratamiento químico de piezas aeronáuticas u otros componentes industriales, así como en el tratamiento de aguas residuales. Por último, se puede usar dióxido de carbono supercrítico como agente para el desengrasado de piezas pequeñas o para la limpieza de tuberías, procedimientos que actualmente se llevan a cabo con disolventes o productos químicos que, sin embargo, presentan problemas de impacto medioambiental.
Otros rasgos característicos y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la descripción detallada que sigue, dada meramente a modo de ejemplo no limitante, con referencia a la figura adjunta, que muestra un diagrama de flujo de un modo de realización preferente del procedimiento de la invención.
La figura muestra esquemáticamente la cámara de combustión de un horno que utiliza metano como combustible y aire como comburente. Se usa el calor generado por combustión para calentar un fluido portador de calor, por ejemplo, agua, que se hace circular en el sistema de distribución de la planta para calentar y producir agua caliente. Los humos de combustión que abandonan la cámara de combustión del horno tienen una composición de aproximadamente un 10 % de CO2 , de aproximadamente un 20 % de H2O (vapor de agua) y de aproximadamente un 70 % de O2+N2. De acuerdo con la técnica anterior, los humos de combustión de horno se enfrían simplemente con ayuda de una torre de enfriamiento, de una temperatura de aproximadamente 100 °C a una temperatura de aproximadamente 30 °C (lo que provoca la formación de vapor de agua), y se liberan a la atmósfera. De acuerdo con el modo de realización del procedimiento de la invención mostrado en la figura, los humos de combustión que abandonan la cámara de combustión de horno —después de filtrarse para eliminar cualquier micropartícula sólida presente en los humos que tiende a saturar las columnas de separación de gases— se envían a un intercambiador de calor para reducir su temperatura a aproximadamente 30 °C a presión atmosférica (aproximadamente 1 bar). Posteriormente, se envían a un compresor para su compresión a una presión de entre 15 y 25 bar, mientras se enfrían a aproximadamente 25 °C. La compresión provoca la formación de agua líquida (agua de condensación), que se purga desde la parte inferior del compresor y se reutiliza para diversas necesidades industriales y/o domésticas, con la ventaja de que, al estar libre de calcio y otras sales minerales, no provoca incrustaciones.
La composición del gas restante después de la separación del agua líquida es de aproximadamente un 12,5 % de CO2 y de aproximadamente un 87,5 % de O2+N2. En la siguiente etapa, el gas se envía a una turbina para expandirse a una presión de entre 6,5 y 8,5 bar, con recuperación de energía eléctrica. Tras la expansión, el gas se enfría a una temperatura de entre aproximadamente -10 °C y aproximadamente -20 °C. Durante la expansión, la composición del gas no cambia. Después de la expansión, el gas se envía a un intercambiador de calor para calentarse a aproximadamente 25 °C y se envía a un par de filtros de columna rellenos con nanotubos de carbono y/o zeolitas sintéticas de 4 ángstrom como material de separación de CO2. El dióxido de carbono retenido por los nanotubos de carbono y/o zeolitas se libera cuando se lava la columna con aire a baja presión (1,5-2 bar). El funcionamiento del sistema es discontinuo, por lo que cada una de las dos columnas se lava de forma alterna con aire a baja presión para obtener un flujo de salida constante de dióxido de carbono gaseoso que tiene una pureza de aproximadamente un 98-99,5 %. El aire libre de dióxido de carbono filtrado que sale de las columnas se puede enviar a una turbina para expandirse a una presión de entre 1,5 y 2 bar, con recuperación de energía eléctrica, y posteriormente recircularse de forma alterna a través de cada una de las dos columnas para lavar y liberar el dióxido de carbono retenido en las mismas.
El dióxido de carbono gaseoso que sale de las columnas se envía a un compresor para comprimirlo a una presión de entre 15 y 20 bar, mientras se enfría a una temperatura de alrededor de -25 °C. La posterior etapa de expansión a presión atmosférica provoca una drástica y rápida disminución de la temperatura del dióxido de carbono, a aproximadamente -80 °C, dando como resultado la formación de dióxido de carbono sólido (nieve carbónica). La nieve carbónica producida se puede comprimir mecánicamente en cubos, que son fáciles de almacenar y transportar.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento para obtener dióxido de carbono de humos de combustión de horno, que comprende las etapas de:
(a) descargar los humos de combustión de un horno, en el que dichos humos de combustión contienen aire enriquecido con dióxido de carbono y vapor de agua;
(b) comprimir los humos de combustión de horno a un valor de presión P1, en el que P1 sea mayor que la presión atmosférica, mientras se enfrían los humos de combustión durante la compresión de modo que su temperatura no supere los 80 °C, obteniendo así la formación de agua líquida y de un gas comprimido que contiene aire enriquecido con dióxido de carbono;
(c) separar el agua líquida del gas comprimido obtenido en la etapa precedente;
(d) expandir el gas comprimido a un valor de presión P2, en el que P2 sea mayor que a la presión atmosférica y sea menor que P1, obteniendo así un gas expandido;
(e) separar el dióxido de carbono haciendo pasar el gas expandido obtenido en la etapa precedente a través de un filtro que comprende un material separador de gases seleccionado del grupo que consiste en fulerenos, zeolitas naturales, zeolitas sintéticas, fosfatos de aluminio, cianocomplejos poliméricos y cualquier combinación de los mismos, obteniendo así dióxido de carbono gaseoso sustancialmente puro.
2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los humos de combustión empleados en la etapa (a) tienen una concentración de dióxido de carbono de desde un 8 a un 15 %.
3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que la pureza del dióxido de carbono obtenido en la etapa (e) es de un 99 % a un 100 %.
4. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que en la etapa (b) P1 es de entre 15 y 25 bar.
5. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que en la etapa (b) los humos de combustión se enfrían a una temperatura de desde 20 a 50 °C.
6. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que en la etapa (d) P2 es de entre 5 y 14 bar, preferentemente de entre 6,5 y 8,5 bar.
7. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la expansión de la etapa (d) se lleva a cabo por medio de una turbina.
8. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende además las etapas de:
(f) comprimir el dióxido de carbono gaseoso sustancialmente puro obtenido en la etapa (e) a un valor de presión P3, en el que P3 sea mayor que la presión atmosférica, mientras se enfría el dióxido de carbono durante la compresión; y
(g) expandir el dióxido de carbono a presión atmosférica, obteniendo así un enfriamiento rápido del dióxido de carbono y la formación de dióxido de carbono sólido.
9. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, en el que en la etapa (f) P3 es de entre 15 y 25 bar.
10. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8 o 9, en el que en la etapa (f) el dióxido de carbono se enfría a una temperatura de entre -20 y -30 °C.
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