WO2010058054A1 - Procedimiento y dispositivo para la combustión de biomasa sin emisión de dióxido de carbono - Google Patents

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

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Juan Carlos Abanades Garcia
Mónica ALONSO CARREÑO
Nuria RODRIGUEZ GÓMEZ
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Definitions

  • the present invention falls within the field of obtaining energy from the combustion of biomass, with simultaneous capture of CO 2 for later storage, and without the release of significant amounts of carbon dioxide.
  • the present invention relates to a method and a device for the combustion of biomass and simultaneous CO2 capture by CaO and CO 2 absorbent generating calcium carbonate. Subsequently, the CaO is regenerated in a calciner, which can be coupled to the device of the invention.
  • WO 03/080223 describes a combustion process at temperatures preferably above 1000 Q C, with integrated separation of CO 2 by carbonation based on the use of CaO as a transporter of part of the heat generated in the combustion chamber, which is used in the calciner to maintain the endothermic reaction of calcination, and regenerate the CaO, without the need to use an air separation plant as proposed by Shimizu et al.
  • the first proposal has been discarded due to lack of adequate materials.
  • WO 2004/097297 describes a method of combustion with CO2 capture including a reactor pressure bubbling fluidized bed.
  • three simultaneous reactions are carried out: combustion of the carbon material fed to the reactor, "in situ" capture of the CO 2 generated during combustion and "in situ” capture of the SO 2 generated during combustion.
  • the last two reactions are possible because the reactor is continuously fed with a stream of CaO, obtained by combustion of coal under oxy-combustion conditions. Therefore, this procedure has the disadvantage that it requires an air separation plant to produce O 2 .
  • the fuel of the invention is preferably petroleum coke or any other solid fuel with low ash content, to avoid problems with the high regeneration temperatures (> 1,000 Q C) in the fluidized bed under pressure.
  • This patent describes high pressure combustion systems because they are the only ones in which it is possible to combine high combustion rates of low reactive solid fuels, such as petroleum coke, and high carbonation and sulfation retention efficiencies.
  • Figure 1 shows a scheme of the combustion-carbonation device of the invention and a flow chart of the process of the invention.
  • Figure 2 shows a graph in which the experimental Ia capture efficiencies CO2 obtained in the combustion - carbonation device of the invention at different times together with the maximum permitted by the equilibrium conditions in the device represented in these same times.
  • the invention relates to a new device, hereinafter device of the invention, for the combustion of biomass and simultaneous capture of CO 2 generated in said combustion comprising: (i) a combustor-carbonator (a) of circulating fluidized bed that is fed with biomass (1) and air (2), emits a stream of solids and gases (3), operates at a temperature between 550 and 700 Q C, and comprises an amount of CaO of at least 500 kg CaO / m 2 .
  • an amount of CaO of at least 500 kg CaO / m 2 refers to an amount of CaO of at least 500 kg for each m 2 of cross section of the combustion-carbonation reactor.
  • the combustor-carbonator (a) operates at a temperature between 600 and 650 Q C.
  • the amount of at least 500 kg CaO / m 2 of CaO in the bed of the combustor-carbonator is important. so that the combustion reactions of biomass and carbonation of CaO take place simultaneously.
  • the amount of CaO in the carburetor is between 1000-2000 kg CaO / m 2 .
  • the amount of CaO must remain stable in the bed. Stability must be achieved by providing the currents (5) and (14) to the combustor-carbonator.
  • the minimum contribution of solids to the combustor-carbonator Io constitutes the current (14).
  • This contribution of CaO from the calciner B is the one necessary to obtain high efficiencies (for example, greater than 70%) in the capture of CO 2 by means of the carbonation reaction. Said contribution has been determined experimentally by the inventors and is comprised between 5 and 20 times the molar flow of carbon fed with the biomass to the combustor-carbonator.
  • the CaO of the combustor-carbonator is continuously renewed in the device of the invention by means of the continuous feeding of CaCO 3 in the form of fresh limestone (12) and the continuous purging of solids (1 1).
  • the device of the invention comprises, in addition to the combustor-carbonator (a) the following elements (Figure 1):
  • the primary cyclone is designed to operate with solids separation efficiencies between 70 and 90%, allowing the output of a current (4) comprising solids to the secondary cyclone (c), which receives the gases and solids that leave of the primary cyclone and separates, on the one hand, a stream of partially carbonated solids (7) that is destined for calciner B, and on the other hand, a gas stream with a reduced content of CO 2 (6) with partial pressures of CO 2 between 0.005-0.035 atmospheres.
  • calciner B the solid (7) partially carbonated is continuously calcined regenerating the CaO and generating a pure or easy to purify stream of CO 2 (9) capable of permanent geological storage.
  • the calcination is an endothermic process and the energy necessary for the reaction can be obtained for example by burning a part of a fuel, such as biomass, coal etc., in the presence of oxygen optionally obtained from an air separation plant as known from the state of The technique
  • the CaO is in particulate form.
  • the choice of the granulometry of the CaO, the design of the interconnections between elements of the device of the invention from the point of view of the transfer of solids between them, as well as the separation of the solids from the gases that carry them is carried out by means of elements and procedures of the state of the art relating to fluidized gas / solid systems.
  • a bubbling fluidized bed (d) that is fluidized with steam or CO 2 (13) it allows, on the one hand, to recover heat from the solids (10) of the second recycle, and on the other hand, the feed of fresh limestone in continuous and the purging of solids depleted continuously, so that the amount of CaO in the combustor-carbonator is kept constant ensuring the effective operation of the device of the invention.
  • These depleted solids comprise CaO, ashes and inerts formed in the combustor-carbonator and in the calciner.
  • the bubbling fluidized bed (d) acts as a solids valve that allows heat recovery of the stream of solids that enters the combustor-carbonator from the calciner.
  • the device of the invention also comprises the combustor-carbonator (a):
  • the present invention relates in another aspect to a process for the combustion of biomass and simultaneous capture of CO 2 generated in said combustion, which comprises a stage of: a) biomass combustion and simultaneous carbonation of CaO to generate CaCO 3 in a combustor - circulating fluidized bed carbonator having an amount of CaO of at least 500kg CaO / m 2 at a temperature between 550 and 700 Q C.
  • the combustion and carbonation take place in a circulating fluidized bed combustor-carbonator at a temperature between 600 and 650 Q C.
  • the combustion and carbonation reactions take place at temperatures between 550-700 Q C, the range between 600-650 Q C is preferred since it has been proven that a more efficient use of the heat generated in the combustion reactions can be made and carbonation maintaining high reaction rates and combustion efficiencies.
  • the inventors have observed in tests carried out in a prototype of interconnected circulating fluidized beds, that the process of the invention carried out at these temperatures maximizes the capture of CO2 in the combustor-carbonator reaching carbonation efficiencies greater than 80% and combustion efficiencies greater than 95%.
  • combustion and carbonation take place. in a fluidized bed combustor-carbonator having an amount of CaO between 1000 and 2000 kg CaO / m 2 .
  • this also includes the following steps: - separating solids from the outlet stream (3) of the combustor-carbonator (a) in a primary cyclone (b) by recycling them (5) to the combustor - carbonator and separating them from an output current (4);
  • this further comprises:
  • the process of the invention also comprises recovering heat released in the combustion and carbonation reactions, from one or more of the streams resulting from the process.
  • heat is recovered from one or more of the following currents: - of the stream of solids (10) in the fluidized bed (d) with steam or CO 2 ,
  • the recovered heat is used in a steam cycle to generate electricity or steam in a new steam cycle, or to be integrated as a new source of heat in the steam cycle of a larger existing power plant.
  • the hot combustion gases with low content of CO 2 (6) can be fed to the flue gases from a coal power plant to recover its heat and dilute the fossil carbon content in the current of gas coal combustion
  • One of the additional advantages of the process of the invention is that it is a process that can be integrated as a heat source in a thermal power plant, generating electricity with negative CO 2 emissions, since the carbon captured from the atmosphere by the biomass during Its growth is captured by this procedure, and it can be stored purely and permanently in the subsoil.
  • a prototype was used consisting of two reactors of 100 mm internal diameter and 3.2 m high interconnected by cyclones, solid discharge pipes ⁇ standpipes) and fluidized solids valves ⁇ loopseal ⁇ .
  • One of the reactors has been operated as a combustor-carbonator and the other reactor as a continuous calciner to continuously supply calcined CaO to the combustor-carbonator.
  • Figure 2 is a graph in which the results obtained are represented
  • Figure 2 includes three extreme situations: system states with very low CO 2 capture efficiency due to lack of active material in the bed, stable state of the system with intermediate capture efficiency and unstable states with very high efficiency of CO 2 capture.

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Abstract

La invención describe un dispositivo y un procedimiento para la combustión de biomasa y captura simultánea del CO2 generado en dicha combustión para generar una corriente sustancialmente pura de CO2 (9) que puede ser posteriormente almacenada. El dispositivo comprende un reactor combustor- carbonatador (a) que se alimenta con biomasa y aire; al menos un ciclón de reciclo (b, c) de sólidos que separa sólidos (5) que retornan al combustor-carbonatador, y del que sale una corriente de sólidos y gases (4). El dispositivo comprende un calcinador B que regenera Ca O, un lecho fluidizado (d), y medios para alimentar Ca CO3 fresco (12) y para purgar sólidos (11).

Description

PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA LA COMBUSTIÓN DE BIOMASA SIN EMISIÓN DE DIÓXIDO DE CARBONO
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se encuadra dentro del campo de obtención de energía a partir de Ia combustión de biomasa, con captura simultánea de CO2 para su almacenamiento posterior, y sin Ia liberación de cantidades significativas de dióxido de carbono. En concreto Ia presente invención se refiere a un procedimiento y un dispositivo para Ia combustión de biomasa y captura de CO2 simultánea, mediante CaO como absorbente del CO2 generando carbonato calcico. Posteriormente el CaO se regenera en un calcinador, que puede acoplarse al dispositivo de Ia invención.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Actualmente, Ia generación de electricidad a partir de combustibles fósiles se lleva a cabo fundamentalmente mediante procesos de combustión que generan importantes cantidades de CO2, principal responsable del cambio climático. Por ello, se han propuesto en el estado de Ia técnica diferentes métodos para Ia captura del CO2 liberado en estos procesos, entre los que cabe destacar los que se basan en Ia reacción de carbonatación-calcinación:
CaO + CO2 = CaCO3
La patente US 5,520,894 describe un método de absorción de CO2 con sólidos regenerables que incluyen, entre otros, MgO y/o CaO. La regeneración del carbonato formado se lleva a cabo mediante el calor obtenido de los gases de combustión. Esta solución es viable para el caso de Ia captura de CO2 con MgO formándose un carbonato ya que las temperaturas de descomposición del MgCO3 son moderadas. Sin embargo, para el caso del CaO como sorbente de CO2, el sistema propuesto de regeneración mediante Ia calcinación de CaCO3, no resulta viable en Ia práctica, ya que Ia demanda mínima de calor en el calcinador es muy elevada para eficacias de captura de CO2 superiores al 70%. [Rodríguez y col., Heat requirements of a CaCO3 calciner when integrated in a CO2 capture system. Chemical Engineering Journal, 138, 1 -3, 148-155, 2008]. Es decir, a las temperaturas habituales de combustión, no está disponible en los gases de combustión, Ia temperatura mínima precisa para intercambiar el calor al calcinador de CaCO3, el cual necesariamente por el equilibro termodinámico, se debe operar a temperaturas superiores a 900QC para obtener CO2 puro del regenerador.
Shimizu y col.; (Shimizu et al. A twin fluid-bed reactor for removal of CO2 from combustión processes Trans IChemE, 77, A, 1999) publican un procedimiento para Ia utilización de CaO como absorbente del CO2 procedente de los gases de combustión, con regeneración mediante calcinación en continuo de CaCO3, para obtener una corriente concentrada de CO2. El sistema propuesto utiliza como carbonatador y calcinador dos lechos fluidizados interconectados. El calcinador utiliza Ia oxi-combustión de carbón para suministrar el calor necesario a Ia etapa endotérmica de calcinación del CaCO3 para dar CaO y CO2. La desventaja de este sistema de captura de CO2 es que requiere ser aplicado a una central térmica de alto rendimiento (generadora de Ia corriente de gas de combustión que se alimenta al carbonatador) para reducir al máximo Ia penalización energética de Ia costosa planta de separación de aire para producir el O2 de alta pureza requerido en el calcinador.
WO 03/080223 describe un procedimiento de combustión a temperaturas preferiblemente superiores a 1000QC, con separación integrada de CO2 por carbonatación basado en Ia utilización de CaO como transportador de parte del calor generado en cámara de combustión, que es utilizado en el calcinador para mantener Ia reacción endotérmica de calcinación, y regenerar el CaO, sin Ia necesidad de utilizar una planta de separación de aire como proponen Shimizu y col. Para transferir el calor necesario para alcanzar temperaturas de calcinación superiores a 900QC, se propone utilizar lechos fluidizados circulantes separados por paredes metálicas o, preferiblemente, interconectados mediante un flujo de sólidos inertes en Ia reacción de combustión, que transfieren calor desde Ia cámara de combustión al calcinador. La primera propuesta se ha descartado por falta de materiales adecuados.
WO 2004/097297 describe un procedimiento de combustión con captura de CO2 que incluye un reactor de lecho fluidizado burbujeante a presión. En dicho reactor se llevan a cabo tres reacciones simultáneas: combustión del material de carbono alimentado al reactor, captura "in situ" del CO2 generado durante Ia combustión y captura "in situ" del SO2 generado durante Ia combustión. Las dos últimas reacciones son posibles gracias a que el reactor se alimenta de forma continua con una corriente de CaO, obtenida por combustión de carbón en condiciones de oxi-combustión. Por tanto este procedimiento presenta Ia desventaja de que requiere una planta de separación de aire para producir O2. El combustible de Ia invención es preferiblemente coque de petróleo o cualquier otro combustible sólido de bajo contenido en cenizas, para evitar problemas con las altas temperaturas de regeneración (>1.000QC) en el lecho fluidizado a presión. Esta patente describe sistemas de combustión a alta presión debido a que son los únicos en los que es posible compaginar altas velocidades de combustión de combustibles sólidos poco reactivos, como coque de petróleo, y altas eficacias de carbonatación y de retención de sulfatación.
Abanades y col. (Abanades, J. C; et al. Fluidized Bed Combustión
Systems lntegrating CO2 Capture with CaO. Environ. Sci. Tech. 2005, 39(8), 2861 ; y Abanades, J.C.,et al. In-situ capture of CO2 in a fluidized bed combustor. 17th Int. Conf. on Fluidized Bed Combustión, FL-USA, ASME. Mayo 2003. paperi O) describen un procedimiento similar al de Ia solicitud WO 2004/097297, pero a presión atmosférica y sólo válido para combustibles de alta reactividad y muy bajo contenido en azufre como Ia biomasa. El procedimiento consiste en Ia combustión de biomasa y Ia captura simultánea "in situ" del CO2 formado, por carbonatación trabajando entorno a 700QC. Sin embargo, no ha podido demostrarse Ia viabilidad del procedimiento (C. Salvador, et al. Capture of CO2 with CaO in a pilot fluidized bed carbonator. Experimental results and reactor model. 7th Congress on Greenhouse Gas Control Technologies-GHGT-7; Vancouver, Canadá; Sep. 2004) principalmente por llevarse a cabo en lecho fluidizado burbujeante, con una gran segregación en el lecho de Ia reacción de combustión que impide el necesario contacto entre el CO2 y las partículas absorbentes de CaO.
Por tanto, y a Ia vista de todo Io expuesto, sigue existiendo Ia necesidad en el estado de Ia técnica de proporcionar un procedimiento y un dispositivo alternativos para Ia combustión y carbonatación "in situ" que supere al menos en parte los problemas del estado de Ia técnica mencionados, y resulte más eficaz desde un punto de vista energético y económico, y por ello interesante para su escalado a nivel industrial.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1 : muestra un esquema del dispositivo de combustión-carbonatación de Ia invención y un diagrama de flujo del procedimiento de Ia invención. Figura 2: muestra una gráfica en Ia que se representan las eficacias experimentales de captura de CO2 obtenidas en el dispositivo de combustión- carbonatación de Ia invención a distintos tiempos junto con las máximas permitidas por el equilibrio en las condiciones presentes en el dispositivo en esos mismos tiempos.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN En un primer aspecto, Ia invención se relaciona con un nuevo dispositivo, en adelante dispositivo de Ia invención, para Ia combustión de biomasa y captura simultánea del CO2 generado en dicha combustión que comprende: (i) un combustor-carbonatador (a) de lecho fluidizado circulante que se alimenta con biomasa (1 ) y aire (2), emite una corriente de sólidos y gases (3), opera a una temperatura de entre 550 y 700QC, y comprende una cantidad de CaO de al menos 500 kg CaO/m2 .
En el contexto de Ia invención Ia expresión una cantidad de CaO de al menos 500 kg CaO/m2 se refiere a una cantidad de CaO de al menos 500 kg por cada m2 de sección transversal del reactor de combustión-carbonatación.
En una realización preferente del dispositivo de Ia invención el combustor-carbonatador (a) opera a una temperatura comprendida entre 600 y 650QC. La cantidad de al menos 500 kg CaO/m2 de CaO en el lecho del combustor-carbonatador es importante para que tengan lugar de forma simultánea las reacciones de combustión de biomasa y carbonatación del CaO.
En otra realización preferente Ia cantidad de CaO en el combustor- carbonatador está comprendida entre 1000-2000 kg CaO/m2. La cantidad de CaO debe permanecer estable en el lecho. La estabilidad debe conseguirse mediante el aporte de las corrientes (5) y (14) al combustor-carbonatador. El aporte mínimo de sólidos al combustor- carbonatador Io constituye Ia corriente (14). Este aporte de CaO desde el calcinador B es el necesario para obtener altas eficacias (por ejemplo, superiores al 70%) en Ia captura de CO2 mediante Ia reacción de carbonatación. Dicho aporte ha sido determinado experimentalmente por los inventores y está comprendido entre 5 y 20 veces el flujo molar de carbono alimentado con Ia biomasa al combustor-carbonatador. Además el CaO del combustor-carbonatador se renueva de forma continua en el dispositivo de Ia invención mediante Ia alimentación continua de CaCO3 en forma de caliza fresca (12) y Ia purga continua de sólidos (1 1 ). En una realización particular, el dispositivo de Ia invención comprende, además del combustor-carbonatador (a) los siguientes elementos (Figura 1 ):
(ii) un ciclón primario (b) de reciclo de sólidos, al que llega Ia corriente (3), que separa sólidos (5) que entran en el combustor-carbonatador, y del que sale una corriente de sólidos y gases (4);
(iii) un ciclón secundario (c) de reciclo de sólidos, al que llega Ia corriente (4), que separa sólidos (7) que entran en el calcinador (B) y del que sale una corriente de gas (6); (iv) un calcinador (B) del que sale una corriente (8) que se separa en
CO2 y sólidos (10);
(v) un lecho fluidizado (d) con vapor o CO2 (13) al que llegan los sólidos (10), y del que salen sólidos (14) que entran en el combustor-carbonatador; y
(vi) medios para purgar sólidos (1 1 ) del lecho fluidizado (d), y medios para alimentar caliza fresca (12) al lecho fluidizado (d).
Mediante los ciclones primario y secundario se garantiza un doble reciclo de sólidos (5) y (14) al combustor-carbonatador (a) que garantiza inventarios de sólidos en el lecho de una cantidad de CaO de al menos 500 kg/m2 en el reactor de combustión-carbonatación. El ciclón primario se diseña para operar con eficacias de separación de sólidos comprendidas entre el 70 y el 90%, permitiendo Ia salida de una corriente (4) que comprende sólidos al ciclón secundario (c), el cual recibe los gases y sólidos que salen del ciclón primario y separa, por una parte una corriente de sólidos (7) parcialmente carbonatada que se destina al calcinador B, y por otra parte, una corriente de gas con un contenido reducido de CO2 (6) con presiones parciales de CO2 entre 0.005-0.035 atmósferas.
En el calcinador B se calcina en continuo el sólido (7) parcialmente carbonatado regenerando el CaO y generando una corriente pura o fácil de purificar de CO2 (9) susceptible de almacenamiento geológico permanente. La calcinación es un proceso endotérmico y Ia energía necesaria para Ia reacción se puede obtener por ejemplo quemando una parte de un combustible, como biomasa, carbón etc., en presencia de oxígeno obtenido opcionalmente de una planta de separación de aire según se conoce del estado de Ia técnica.
El CaO se encuentra en forma particulada. La elección de Ia granulometría del CaO, el diseño de las interconexiones entre elementos del dispositivo de Ia invención desde el punto de vista de Ia transferencia de sólidos entre ellos, así como Ia separación de los sólidos de los gases que los arrastran se realiza mediante elementos y procedimientos del estado de Ia técnica relativo a sistemas fluidizados gas/sólido.
En lecho fluidizado burbujeante (d) que se fluidiza con vapor o CO2 (13) permite por una parte recuperar calor de los sólidos (10) del segundo reciclo, y por otra parte, Ia alimentación de caliza fresca en continuo y Ia purga de sólidos agotados en continuo con Io que Ia cantidad de CaO en el combustor-carbonatador se mantiene constante asegurando el eficaz funcionamiento del dispositivo de Ia invención. Estos sólidos agotados comprenden CaO, cenizas e inertes formados en el combustor-carbonatador y en el calcinador. El lecho fluidizado burbujeante (d) actúa como una válvula de sólidos que permite Ia recuperación de calor de Ia corriente de sólidos que entra al combustor-carbonatador desde el calcinador.
En otra realización particular el dispositivo de Ia invención comprende además del combustor-carbonatador (a):
(ii) un ciclón (b) de reciclo de sólidos, al que llega Ia corriente (3), que separa los sólidos de los gases; y
(iii) una válvula de sólidos que separa Ia corriente de sólidos que sale del ciclón en dos corrientes, de las cuales una se recircula al combustor- carbonatador y otra se lleva al calcinador. De este modo también es posible mantener un inventario de sólidos en el combustor-carbonatador por encima de 500 kgCaO/m2, a Ia vez que se mantiene una intensa circulación de sólidos con el calcinador.
La presente invención se relaciona en otro aspecto con un procedimiento para Ia combustión de biomasa y captura simultánea del CO2 generado en dicha combustión, que comprende una etapa de: a) combustión de biomasa y carbonatación simultánea de CaO para generar CaCO3 en un combustor-carbonatador de lecho fluidizado circulante que presenta una cantidad de CaO de al menos 500kg CaO/m2 a una temperatura comprendida entre 550 y 700QC.
Este procedimiento, en adelante procedimiento de Ia invención puede llevarse a cabo en un dispositivo como el de Ia presente invención.
En una realización preferente del procedimiento de Ia invención, Ia combustión y carbonatación tienen lugar en un combustor-carbonatador de lecho fluidizado circulante a una temperatura comprendida entre 600 y 650QC.
Aunque las reacciones de combustión y carbonatación tengan lugar a temperaturas entre 550-700QC, se prefiere el intervalo de entre 600-650QC ya que se ha comprobado que así puede hacerse un uso más eficaz del calor generado en las reacciones de combustión y carbonatación manteniendo altas velocidades de reacción y eficacias de combustión. Los inventores han observado en ensayos realizados en un prototipo de lechos fluidizados circulantes interconectados, que el procedimiento de Ia invención llevado a cabo a estas temperaturas maximiza Ia captura de CO2 en el combustor- carbonatador alcanzando eficacias de carbonatación superiores al 80% y eficacias de combustión superiores al 95%.
En Ia Figura 2 se presentan los resultados obtenidos en una realización particular del procedimiento y del dispositivo de Ia invención.
En una realización particular Ia combustión y carbonatación tienen lugar en un combustor-carbonatador de lecho fluidizado que presenta una cantidad de CaO comprendida entre 1000 y 2000 kg CaO/m2.
En otra realización particular del procedimiento de Ia invención, éste comprende, además, las siguientes etapas: - separar sólidos de Ia corriente de salida (3) del combustor- carbonatador (a) en un ciclón primario (b) reciclándolos (5) al combustor- carbonatador y separándolos de una corriente de salida (4);
- separar sólidos de Ia corriente de salida (4) del ciclón primario (b) en un ciclón secundario (c) conduciéndolos a un calcinador (B) y separándolos de una corriente de gas (6);
- calcinar en continuo el CaCO3 para separar CO2 (9) de una corriente de sólidos (10);
- llevar Ia corriente de sólidos (10) a un lecho fluidizado (d),
- alimentar en continuo caliza fresca (12) al lecho fluidizado (d), - purgar en continuo sólidos (1 1 ) del lecho fluidizado (d) y
- alimentar una corriente (14) desde el lecho fluidizado (d) al combustor-carbonatador (a).
En otra realización particular del procedimiento de Ia invención éste comprende además:
(ii) separar en un ciclón (b) de reciclo de sólidos, al que llega Ia corriente (3), los sólidos de los gases; y
(iii) separar mediante una válvula de sólidos Ia corriente de sólidos que sale del ciclón (b) en dos corrientes, de las cuales una se recircula al combustor-carbonatador y otra se lleva al calcinador.
El procedimiento de Ia invención comprende, además, recuperar calor liberado en las reacciones de combustión y carbonatación, a partir de una o más de las corrientes resultantes del procedimiento. En una realización particular el calor se recupera de una o más de las siguientes corrientes: - de la corriente de sólidos (10) en el lecho fluidizado (d) con vapor o CO2,
- de Ia corriente de gases (6) del ciclón secundario (c),
- de Ia corriente de sólidos purgada (1 1 ); - de Ia corriente (5) de retorno de sólidos al combustor-carbonatador.
El calor recuperado se utiliza en un ciclo vapor para generar electricidad o vapor en un nuevo ciclo de vapor, o para integrarse como nueva fuente de calor en el ciclo de vapor de una central existente de mayor tamaño. En este último caso, los gases calientes de combustión con bajo contenido en CO2 (6) se pueden alimentar a los gases de combustión de una central térmica de carbón para recuperar su calor y diluir el contenido de carbono fósil en Ia corriente de gases de combustión de carbón.
Una de las ventajas adicionales del procedimiento de Ia invención, reside en que es un proceso que puede integrarse como fuente de calor en una central térmica, generando electricidad con emisiones negativas de CO2, ya que el carbono captado de Ia atmósfera por Ia biomasa durante su crecimiento es capturado mediante este procedimiento, y puede ser almacenado en forma pura y permanente en el subsuelo.
A continuación se presentan un ejemplo ilustrativo de Ia invención que se exponen para una mejor comprensión de Ia invención y en ningún caso deben considerarse una limitación del alcance de Ia misma.
EJEMPLO
EJEMPLO 1 :
Para Ia puesta en práctica del procedimiento y el dispositivo de Ia invención se utilizó un prototipo que consta de dos reactores de 100 mm de diámetro interior y 3.2 m de altura interconectados mediante ciclones, tuberías de descarga de sólidos {standpipes) y válvulas fluidizadas de sólidos {loopseal}. Uno de los reactores se ha operado como combustor-carbonatador y el otro reactor como calcinador continuo para suministrar continuamente CaO calcinado al combustor-carbonatador.
La Figura 2 es una gráfica en Ia que se representan los resultados obtenidos,
Ia eficacia de captura (%) en el reactor de combustión-carbonatación de este prototipo experimental de lechos fluidizados interconectados, frente al tiempo.
Se han realizado multitud de experimentos con dos tipos de biomasa (serrín y pepitas machacadas de oliva), distintas velocidades de alimentación de biomasa y de aire, y distintos caudales de circulación de sólidos (aproximadamente entre 0.5-5 kg/m2s). La línea (Equilibrio) de Ia Figura 2 indica Ia eficacia de captura de CO2 máxima permitida por el equilibrio de CaO/CaCO3 según Ia temperatura y composición gases de combustión puntuales (no mostradas por simplicidad). Los resultados que se muestran en
Ia Figura 2 (Experimental) incluyen tres situaciones extremas: estados del sistema con muy baja eficacia de captura de CO2 por falta de material activo en el lecho, estado estable del sistema con una eficacia de captura intermedia y estados inestables con muy alta eficacia de captura de CO2.
En Ia Figura 2 se muestra como entorno a las 15:10, Ia eficacia de captura desciende abruptamente debido a que se para Ia alimentación de sólidos del combustor-carbonatador para intentar medir Ia velocidad de circulación de los mismos. Esto se traduce en una desaparición rápida de los sólidos en el combustor-carbonatador, que opera en esa situación como un combustor de biomasa sin captura de CO2. Al reponer el caudal de aire a Ia válvula de sólidos (loop-seal), Ia eficacia de captura aumenta hasta un valor de 88%. Esta eficacia corresponde a un lecho con suficientes partículas de CaO activas en su inventario, en este caso debido a Ia entrada rápida de CaO del calcinador cuando comienza Ia aireación de Ia válvula de sólidos. Estos sólidos se carbonatan y por tanto el lecho pierde progresivamente capacidad de absorción de CO2. Solo Ia alimentación continua de sólidos desde el calcinador sostiene eficacias de captura aproximadamente estables entre el 40-50%. Finalmente entorno a las 15:40, se cargan 3.2 kg de sólidos parcialmente calcinados y Ia eficacia de captura llega a aumentar hasta valores entorno al 96.6% a las 15:45, para descender a valores entorno al 76.6% a las 15:50, debido nuevamente a Ia pérdida de material activo en el combustor-carbonatador.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo para Ia combustión de biomasa y captura simultánea del CO2 generado en dicha combustión que comprende: (i) un combustor-carbonatador (a) de lecho fluidizado circulante que se alimenta con biomasa (1 ) y aire (2), emite una corriente de sólidos y gases (3), y opera a una temperatura de entre 550 y 700QC, y comprende una cantidad de CaO de al menos 500 kg CaO/m2.
2. Dispositivo según Ia reivindicación 1 , en el que el combustor-carbonatador opera a una temperatura de entre 600 y 650QC.
3. Dispositivo según Ia reivindicación 1 , en el que el lecho del combustor- carbonatador (a) comprende una cantidad comprendida entre 1000 y 2000 kg CaO/m2
4. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende además:
(ii) un ciclón primario (b) de reciclo de sólidos, al que llega Ia corriente
(3), que separa sólidos (5) que entran en el combustor-carbonatador, y del que sale una corriente de sólidos y gases (4);
(iii) un ciclón secundario (c) de reciclo de sólidos, al que llega Ia corriente (4), que separa sólidos (7) que entran en el calcinador (B) y del que sale una corriente de gas (6);
(iv) un calcinador (B) del que sale una corriente (8) que se separa en CO2 y sólidos (10);
(v) un lecho fluidizado (d) con vapor o CO2 (13) al que llegan los sólidos (10), y del que salen sólidos (14) que entran en el combustor-carbonatador; y (vi) medios para purgar sólidos (1 1 ) del lecho fluidizado (d), y medios para alimentar caliza fresca (12).
5. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende además:
(ii) un ciclón (b) de reciclo de sólidos, al que llega Ia corriente (3), que separa los sólidos de los gases y
(iii) una válvula de sólidos que separa Ia corriente de sólidos que sale del ciclón en dos corrientes, de las cuales una se recircula al combustor- carbonatador y otra se lleva al calcinador.
6. Procedimiento para Ia combustión de biomasa y captura simultánea del CO2 generado en dicha combustión que comprende una etapa de: a) combustión de biomasa y carbonatación simultánea del CaO para generar CaCO3 en un combustor-carbonatador de lecho fluidizado circulante que presenta una cantidad de CaO de al menos 500 kg CaO/m2 a una temperatura comprendida entre 550 y 700QC.
7. Procedimiento según Ia reivindicación 6, en el que Ia combustión y carbonatación tienen lugar en un combustor-carbonatador de lecho fluidizado circulante a una temperatura comprendida entre 600 y 650QC
8. Procedimiento según Ia reivindicación 6 o 7, en el que Ia combustión y carbonatación tienen lugar en un combustor-carbonatador de lecho fluidizado que presenta una cantidad de CaO comprendida entre 1000 y 2000 kg CaO/m2
9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6-8, que comprende además, las siguientes etapas:
- separar sólidos de Ia corriente de salida (3) del combustor- carbonatador (a) en un ciclón primario (b) reciclándolos (5) al combustor- carbonatador y separándolos de una corriente de salida (4); - separar sólidos de Ia corriente de salida (4) del ciclón primario (b) en un ciclón secundario (c) conduciéndolos a un calcinador (B) y separándolos de una corriente de gas (6);
- calcinar en continuo el CaCO3 para generar y separar CO2 (9) y una corriente de sólidos (10);
- llevar Ia corriente de sólidos (10) a un lecho fluidizado (d),
- alimentar en continuo caliza fresca al lecho fluidizado (d),
- purgar en continuo sólidos del lecho fluidizado (d) y
- alimentar una corriente (14) al combustor-carbonatador (a).
10. Procedimiento según Ia reivindicación 9, que comprende, además, recuperar calor de una o más de las siguientes corrientes resultantes del procedimiento:
- de Ia corriente de sólidos (10) en el lecho fluidizado (d) con vapor o CO2,
- de Ia corriente de gases (6) del ciclón secundario (c),
- de Ia corriente de sólidos purgada (1 1 );
- de Ia corriente (5) de retorno de sólidos al combustor-carbonatador.
11. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 6-8, que comprende además:
(ii) separar en un ciclón (b) de reciclo de sólidos, al que llega Ia corriente (3), los sólidos de los gases; y
(iii) separar mediante una válvula de sólidos Ia corriente de sólidos que sale del ciclón (b) en dos corrientes, de las cuales una se recircula al combustor-carbonatador y otra se lleva al calcinador.
12. Procedimiento según Ia reivindicación 1 1 , que comprende además recuperar calor de una o más de las corrientes resultantes del procedimiento.
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