MX2008012528A - Procedimiento de precalcinacion con produccion de co2 puro o facilmente purificable proveniente de la descomposicion de carbonatos. - Google Patents
Procedimiento de precalcinacion con produccion de co2 puro o facilmente purificable proveniente de la descomposicion de carbonatos.Info
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Abstract
El procedimiento propuesto consiste en sobrecalentar una corriente de material calcinado (normalmente (CaO) hasta una temperatura por encima de la temperatura de calcinación, y hacer circular esta corriente sobrecalentada de material calcinado hasta el calcinador, donde los sólidos ceden calor. A este calcinador se alimenta también la corriente de material a calcinar (normalmente CaCO3 preclentado) para que el calor cedido por la corriente caliente de CaO produzca la descomposición en CO2 y CaO del CaCO3 alimentado. Una parte del CaO que abandona el calcinador es el producto calcinado, y el resto se recicla para su sobrecalentamiento en un combustor. El CO2 generado en la etapa de calcinación se obtiene de forma pura o fácilmente purificable y es por tanto susceptible de uso o confinamiento.
Description
PROCEDIMIENTO DE CALCINACIÓN CON PRODUCCIÓN DE CQ2 PURO O FÁCILMENTE PURIFICABLE PROVENIENTE DE LA DESCOMPOSICIÓN DE
CARBONATOS
SECTOR DE LA TÉCNICA
Procesos de Calcinación. Proceso para la producción de cemento.
ESTADO DE LA TÉCNICA
El Panel Intergubernamental para el Cambio Climático de la ONU ha elaborado recientemente un Informe Especial sobre Captura y Almacenamiento de C02 (IPCC, 2005) en el que se revisan las tecnologías existentes y en desarrollo para capturar el C02 generado en grandes fuentes estacionarias y su posterior confinamiento en una variedad de formaciones geológicas profundas. Como indica dicho Informe, la producción de cemento fue responsable en 2002 del 5.8% del total de las emisiones de C02 a la atmósfera proveniente de fuentes estacionarias (fuentes que emiten más de 0.1 MtC02/año) . Como en el caso del sector eléctrico, la captura y almacenamiento del C02 permite la reducción drástica de emisiones de C02 en cementeras . El coste adicional de esta operación puede compensarse en lugares donde
opera un mercado de emisiones de C02, como es el caso de Europa, cuando el coste de captura y almacenamiento de C02 es menor que el coste de C02 en dicho mercado de créditos. Minimizar el coste de la captura de C02 sigue siendo la clave para llevar estas tecnologías a una fase de comercialización a medio plazo.
La aplicación de tecnologías de captura y almacenamiento de C02 requiere la obtención previa de una corriente altamente concentrada en C02, que se lleva a condiciones supercríticas para su almacenamiento definitivo en formaciones geológicas profundas (IPCC, 2005) . Para el caso de la industria del cemento, las tecnologías de captura de C02 por postcombustion o oxicombustion, que son aplicables a centrales térmicas, son en principio aplicables a la industria del cemento (IPCC, 2005) . Existe poca información disponible sobre cómo llevar a la práctica estos procesos en cementeras y cual puede ser su coste.
Por otra parte, existen tecnologías en desarrollo para la captura de C02 en sistemas de producción de energía basadas en ciclos de carbonatación-calcinación que generan una purga de CaO (Abanades y cls, 2005 Env . Sci . Tech . 39,2861). La sustitución del CaC03 alimentado a la cementera por esta purga de sorbente desactivado (mayoritariamente CaO) resulta en un considerable ahorro energético en la cementera (Abanades y cls,
2005 Env. Sci .Tech. 39,2861). Sin embargo, estos procesos están en fase de investigación y desarrollo y se enfocan principalmente a la generación de energía eléctrica o de H2.
La patente P200200684 describe un proceso de captura de C02 por carbonatación en el que se reivindica la utilización de parte del calor generado en el combustor por parte del calcinador para mantener la reacción endotérmica de calcinación y regenerar el sorbente . Además, en una de sus aplicaciones, se reivindica un método de realizar el intercambio de calor de forma indirecta mediante un sólido inerte circulando entre las dos cámaras. En particular, este sistema de intercambio de calor para el regenerador se ha descrito también para el uso del propio sorbente (es decir, de partículas de CaO) como transportador de calor desde el combustor al calcinador. En estos sistemas de captura de C02 por carbonatación, el material calcinado debe circular al carbonatador para reaccionar de nuevo con C02 (Abanades y cls, 2005 Env . Sci . Tech . 39,2861).
La patente JP57067013 describe un proceso para obtener C02 de alta pureza a partir de la calcinación de CaC03 con CaO recalentado en un combustor de lecho fluidizado burbujeante. Sin embargo, la capacidad de procesamiento por unidad de área de este sistema está limitada por el uso de
combustores de lecho fluidizado burbujeante y por las restricciones a la circulación de sólidos en el sistema elegido de lechos interconectados . Esto hace que el sistema propuesto en la patente JP57067013 no sea el más adecuado para la captura y almacenamiento a gran escala del C02 generado por calcinación en grandes fuentes estacionarias de C02 como las cementeras u otros grandes sistemas de calcinación industrial. Una posible solución para superar las limitaciones anteriores es utilizar combustores de lecho fluidizado circulante y aprovechar su alta capacidad de circulación de sólidos y de transmisión de calor.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Un aspecto de la presente invención es el procedimiento de calcinación de carbonatos con producción de C02 puro o fácilmente purificable, en adelante procedimiento de calcinación de la invención, el que el calor necesario para la calcinación lo aporta una corriente de sólidos calcinados que se han recalentado en un combustor de lecho fluidizado circulante a temperaturas superiores a la temperatura de operación del calcinador .
El objetivo fundamental de esta invención es por tanto producir un calcinado y una corriente pura o casi pura de
C02 susceptible de almacenamiento permanente alejada de la atmósfera, a partir de una corriente sólida rica en CaC03. El procedimiento de calcinación de la invención se centra en la captura del C02 contenido en el flujo continuo de caliza. Al no requerirse etapa de carbonatación o captura de C02 de una corriente gaseosa, las condiciones de calcinación pueden ser las más adecuadas para la producción del CaO a alimentar a la cementera .
Un aspecto preferente de la presente invención es el procedimiento de calcinación de la invención, en adelante procedimiento de calcinación de CaC03 de la invención en el que los carbonatos son una corriente rica en CaC03 como roca caliza utilizada para la producción de cemento. También es de aplicación, con pequeñas modificaciones, a otros procesos comerciales que usan la calcinación para producir cal (por ejemplo, para la retención de S02 en centrales térmicas) .
En el procedimiento de calcinación de CaC03 de la invención se produce una corriente concentrada de C02 proveniente únicamente del CaC03, así como una corriente de material calcinado (CaO) . En el proceso descrito no se contempla la captura del C02 generado en la combustión con aire del combustible en el
combustor de donde proviene el calor de calcinación. Sin embargo, hay que hacer notar que en cementeras modernas, con un uso racional de la energía, entorno a 3/4 partes del C02 emitido proviene del CaC03 usado como materia prima para la fabricación de cemento, por lo que el impacto de esta tecnología en la reducción de emisiones de C02 en cementeras puede ser alto.
El procedimiento de calcinación de CaC03 de la invención se basa en la utilización del calor generado en un combustor de lecho fluidizado circulante para recalentar una corriente de CaO que fluye desde el calcinador, circulando continuamente entre el combustor y el calcinador, y que se encarga de transferir calor desde el combustor de lecho fluidizado circulante hasta el calcinador para mantener la reacción endotérmica de calcinación. El C02 generado en la calcinación, en forma pura o fácilmente purificable (mezcla C02 y H20) , queda en condiciones adecuadas para su confinamiento alejado de al atmósfera tras unas etapas de compresión, transporte y almacenamiento, que son comunes a todos los sistema de captura y almacenamiento de C02.
El procedimiento de calcinación de CaC03 de la invención requiere un combustor de lecho fluidizado circulante
donde se quema cualquier tipo de combustible con aire, preferentemente a temperaturas superiores a 1000 °C e inferiores a 1200 °C, generándose calor y una corriente de gases de combustión de composición dependiente del combustible y del exceso de aire utilizado en la combustión.
El procedimiento de calcinación de CaC03 de la invención debe intentar maximizar la cantidad de calor generado en el combustor que se transfiere al calcinador. Para ello son de interés las temperaturas más bajas de calcinación posibles. Sin embargo, el calcinador debe trabajar a temperaturas superiores a 900 °C (temperatura de descomposición de CaC03 en C02 puro) , preferiblemente cercanas a 950 °C para conseguir reacciones de calcinación suficientemente rápidas, que permitan tiempos de residencia de los sólidos en el calcinador cortos y por tanto diseños compactos del calcinador. Opcionalmente , para aumentar las velocidades de calcinación y aumentar el gradiente térmico entre combustor y calcinador, puede rebajarse la presión parcial de C02 en el calcinador mediante la aplicación de cierto vacío al calcinador tal como se reivindica en la patente US4748010A y/o la inyección de vapor al calcinador tal y como se reivindica en P200200684. En estas condiciones, el calcinador se opera para generar una corriente pura de C02 a presión inferior a
la atmosférica, o una mezcla C02/vapor fácilmente separable por condensación del vapor (ver Figura 2) .
Por lo tanto, otro aspecto preferente de la presente invención es el procedimiento de calcinación de CaC03 de la invención, en el que el calcinador opera a temperaturas superiores a 900 °C y a presión atmosférica
Otro aspecto preferente de la presente invención es el procedimiento de calcinación de CaC03 de la invención, en el que el calcinador opera a temperaturas superiores a 850 °C operando a presión parcial de C02 inferior a la atmosférica mediante la adición de vapor al calcinador.
Otro aspecto de la presente invención es la utilización del procedimiento de calcinación de CaC03 de la invención en la producción de cal .
Otro aspecto de la presente invención es el uso de la cal obtenida mediante el procedimiento de calcinación de CaC03 de la invención en la fabricación de cemento.
Otro aspecto de la presente invención es el uso de la cal obtenida mediante el procedimiento de calcinación de CaC03 como sorbente de S02..
Otro aspecto de la invención presente invención es el uso o almacenamiento permanente del C02 puro o fácilmente purificable obtenido en el procedimiento de calcinación de la invención
BREVE DESCRIPCIÓN DEL CONTENIDO DE LAS FIGURAS
Figura 2. Esquema de un dispositivo para realizar el procedimiento de calcinación de CaC03 de la invención. Comprende una combustor de lecho fluidizado circulante donde se quema el combustible con aire a temperaturas superiores a 1000 °C en presencia de una corriente de sólidos con un contenido mayoritario de CaO. El combustor es preferiblemente un lecho fluidizado circulante por ser necesario el procesamiento en continuo de un alto flujo neto de circulación de sólidos en la sistema (entre 5 y 50 kg/m2s) . Parte del calor generado en la combustión, se transfiere como calor sensible al CaO que circula en la cámara de combustión, produciendo una corriente de CaO recalentado (que sale del combustor idealmente a la temperatura
del combustor, dadas las características de alta transferencia de calor entre gases y partículas fluidizadas) . El CaO recalentado se separa de los gases del combustor (por ejemplo con uno o más separadores de tipo ciclónico) y cae por gravedad al calcinador a través de una línea de sólidos (la línea de sólidos incluirá una válvula aireada de sólidos, por ejemplo de tipo J, no presentada en el dibujo por simplicidad) . Los sólidos transferidos desde el combustor entran al calcinador para mantener la reacción endotérmica de calcinación. El calcinador es preferiblemente un lecho fluidizado circulante . En el calcinador se mezclan de forma muy rápida los sólidos que entran desde el combustor (CaO recalentado) y desde la alimentación de CaC03. El aporte de calor al calcinador mediante el flujo de sólidos recalentados desde el combustor mantiene la temperatura de calcinación en un valor suficientemente alto para impulsar la reacción rápida de calcinación. En estas condiciones el CaC03 en la alimentación se descompone en C02 y CaO. La rapidez de esta reacción de calcinación, la buena mezcla y el gran flujo de CaO proveniente del combustor hace que la composición del calcinador sea mayoritariamente CaO. Esto permite extraer el CaO producto del propio calcinador. También puede extraerse el CaO producto como una parte de la corriente de sólidos de retorno al combustor (posibilidad no mostrada en la Figura 2 por simplicidad) .
Es fácilmente demostrable con balances de materia y de energía que un mayor precalentamiento de las corrientes de entrada al sistema (aire, combustible y alimentación de caliza) con calor procedente de las corrientes a alta temperatura que salen del sistema (humos, C02, CaO producto) aumentan la capacidad de calcinación del sistema. Es por tanto importante disponer de los equipos auxiliares (intercambiadores de calor) necesarios para alcanzar el máximo grado de precalentamiento de dichas corrientes de entrada al sistema. Sin embargo, estos sistemas auxiliares para el precalentamiento de sólidos y gases no se consideran objeto de esta invención al ser parte del estado del arte de sistemas fluidizados circulantes y de sistemas de producción de cemento. Otras posibilidades evidentes de alimentación y extracción de sólidos del sistema no se consideran en la Figura 2. Otros flujos secundarios relacionados con la separación más efectiva entre sólidos y gases (por ejemplo mediante sistemas de separación por etapas, o con otros métodos robustos de separación de sólidos y gases a altas temperaturas) no son objeto de la presente invención.
El flujo total de sólidos que circula entre combustor y calcinador viene dado, entre otros factores, por la cantidad de CaC03 a calcinar, el poder calorífico del combustible empleado en el combustor, la diferencia de temperatura entre el
combustor y calcinador, las temperaturas a las que se han precalentado las corrientes de entrada al sistema (aire, combustible y alimentación con CaC03) con el calor de las corrientes de salida del sistema (humos, CaO producto y C02 ) . Se puede demostrar (ver ejemplo de realización de la invención) que es posible operar el sistema con valores de circulación de sólidos entre combustor y calcinador aceptables para sistemas fluidizados circulantes (10-50 kg/m2s) con valores razonables de todas las variables anteriores.
EJEMPLO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN:
Se describe un ejemplo de aplicación y unos intervalos razonable de condiciones de operación para el caso en el que se utiliza el sistema como un calcinador de roca caliza (mayoritariamente CaC03) para producir dos corrientes concentradas de CaO y de C02. En el ejemplo que sigue se considera que el producto de la calcinación (CaO) se destina prioritariamente a la producción de cemento.
Las unidades principales en el ejemplo se muestran en la Figura 2.
(1) cámara de combustión en lecho fluidizado trabajando a 1000-1200 °C. El combustor se diseña suponiendo condiciones adiabáticas. Es posible utilizar cualquier combustible, pero son preferibles aquellos con contenido reducido en cenizas o que produzcan cenizas que no produzcan problemas de sinterización . El poder calorífico del combustible es determinante de la capacidad de calcinación del sistema, que varia entre valores inferiores al 30% y valores superiores al 80% cuando el poder calorífico del combustible varía entre 10 y 45 MJ/kg (LHV) y para temperaturas de precalentamiento de las corrientes de aire y CaC03 superiores a 600 °C. Fijado un poder calorífico del combustible (para excesos habituales de aire sobre el estequiométrico) y una temperatura de calcinación, la temperatura de combustión determina el flujo total de CaO que debe entrar al combustor para extraer y transmitir al calcinador una parte mayoritaria del calor de combustión como calor sensible de CaO recalentado (que cambia su temperatura desde los 900-950 °C del calcinador hasta los 1000-1200 °C en el combustor) . Valores representativos de este flujo de sólidos, no excluyentes de otros valores, se sitúan entorno a 5 y 50 kg/m2s de CaO, que son aceptables para el diseño de un combustor de lecho fluidizado circulante con tecnologías existentes. En la figura 2 se esquematiza un ciclón, u otro
sistema de separación de gas y sólidos, para separar los gases de combustión del CaO recalentado.
(2) calcinador operando como lecho fluidizado a 900-950 °C. El equilibrio termodinámico requiere unas temperaturas superiores a 900 C para llevar a cabo la calcinación de CaC03 a presión parcial de 1 atm de C02. El gas principal fluidizando los sólidos en el calcinador es el propio C02 generado en el proceso de calcinación. Sin embargo es necesario trabajar a presiones parciales reducidas (inyectando un flujo de vapor) o a temperatura cercanas a 950 °C para que la calcinación de los sólidos con CaC03 (s3) sea rápida y completa. Los sólidos que abandonan el calcinador (s3) solo contienen CaO en el ejemplo (aunque contienen cantidades menores de cenizas en el combustible original y otros materiales inertes presentes en el sólido con composición mayoritaria de CaC03)
Claims (11)
1. Procedimiento de calcinación de carbonatos con producción de C02 puro o fácilmente purificable caracterizado el calor necesario para la calcinación lo aporta una corriente de sólidos calcinados que se han recalentado en un combustor de lecho fluidizado circulante a temperaturas superiores a la temperatura de operación del calcinador.
2. Procedimiento de calcinación tal y como se reivindica en la cláusula 1, caracterizado porque los carbonatos son una corriente rica en CaC03 como roca caliza utilizada para la producción de cemento.
3. Procedimiento de calcinación tal y como se reivindica en las cláusulas 1 y 2, caracterizado porque el combustor opera a temperaturas entre 1000-1200°C a presión atmosférica .
4. Procedimiento de calcinación tal y como se reivindica en las cláusulas 1 2 y 3, caracterizado porque el calcinador es un lecho fluidizado circulante interconectado con el combustor.
5. Procedimiento de calcinación tal y como se reivindica en la cláusula 4, caracterizado porque el calcinador opera a temperaturas superiores a 900 °C y a presión atmosférica
6. Procedimiento de calcinación tal y como se reivindica en la cláusula 4, caracterizado porque el calcinador opera a temperaturas superiores a 850 °C operando a presión parcial de C02 inferior a la atmosférica mediante la adición de vapor al calcinador.
7. Utilización del procedimiento de calcinación tal y como se reivindica en las cláusulas 1 a 6 en la producción de cal .
8. Cal obtenida mediante el procedimiento de calcinación descrito en las reivindicaciones 1-6.
9. Utilización de la cal tal y descrita en la reivindicación 8 en el proceso de fabricación de cemento.
10. Utilización de la cal descrita en la reivindicación 8 como sorbente de S02.
11. Utilización o almacenamiento permanente del C02 puro o fácilmente purificable obtenido en las reivindicaciones R E S U M E N El procedimiento propuesto consiste en sobrecalentar una corriente de material calcinado (normalmente (CaO) hasta una temperatura por encima de la temperatura de calcinación, y hacer circular esta corriente sobrecalentada de material calcinado hasta el calcinador, donde los sólidos ceden calor. A este calcinador se alimenta también la corriente de material a calcinar (normalmente CaCC>3 precalentado) para que el calor cedido por la corriente caliente de CaO produzca la descomposición en C02 y CaO del CaC03 alimentado. Una parte del CaO que abandona el calcinador es el producto calcinado, y el resto se recicla para su sobrecalentamiento en un combustor. El CO2 generado en la etapa de calcinación se obtiene de forma pura o fácilmente purificable y es por tanto susceptible de uso o confinamiento.
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