Combustión de gas natural con transportadores de oxígeno con bajo o nulo contenido en níquel

La combustión indirecta con transportadores sólidos de oxígeno (Chemical Looping Combustion, CLC) es una de las tecnologías más prometedoras de captura de CO2 en el proceso de producción de energía a partir de combustibles fósiles ya que la separación del CO2 generado es inherente al propio proceso y, por tanto, permite reducir en gran medida el coste asociado a la captura de dicho gas. Esta tecnología se fundamenta en la transferencia de oxígeno del aire al combustible por medio de un óxido metálico que actúa como transportador de oxígeno evitando el contacto directo entre el aire y el combustible. Este transportador de oxígeno circula entre dos lechos fluidizados interconectados denominados reactor de reducción y reactor de oxidación. La fase activa de un transportador de oxígeno se compone de un óxido metálico, normalmente óxidos de níquel, cobre, manganeso o hierro. Este trabajo de investigación se ha centrado en la evaluación del comportamiento de transportadores de oxígeno con bajo o nulo contenido en NiO en el proceso CLC cuando se utiliza CH4 u otros gases combustibles en presencia de H2S como impureza. La evaluación de estos transportadores de oxígeno se llevó a cabo en una planta piloto de dos lechos fluidizados interconectados de 500 Wt. Como objetivo final se ha pretendido identificar el transportador de oxígeno más prometedor para su escalado a una planta industrial CLC de gas natural. A partir del estado del arte en el desarrollo de materiales, se escogieron cuatro transportadores de oxígeno con unas propiedades adecuadas para la combustión de gases, tales como gas natural, gas de síntesis o hidrocarburos ligeros mediante el proceso CLC, uno por cada uno de los óxidos metálicos más usados para esta tecnología: materiales basados en níquel, cobre, manganeso y hierro. Los resultados obtenidos con el transportador de oxígeno basado en níquel con un contenido en NiO muy reducido (11 % en peso), y soportado sobre CaAl2O4, demostraron que este material era altamente reactivo con todos los gases empleados obteniéndose altas eficacias de combustión en un rango bien definido de condiciones de operación. Sin embargo, este transportador de oxígeno presentó algunos inconvenientes para su uso en una planta CLC a nivel industrial relacionados con la posible presencia de azufre en el combustible alimentado a dicha instalación así como la necesidad de desarrollar y fabricar un soporte de CaAl2O4 a nivel comercial con mejores propiedades físicas [1,2]. El transportador de oxígeno basado en manganeso presentó un buen comportamiento para el proceso CLC con combustibles gaseosos en términos de reactividad y eficacia de combustión cuando no existía presencia de azufre en la composición del combustible alimentado. Se observó que era necesario trabajar con un exceso de oxígeno muy grande con respecto al valor estequiométrico (phi > 11) para quemar completamente el combustible y que, en estas condiciones, la generación de O2 gaseoso por descomposición, característico del proceso CLOU de este material, resultaba determinante para alcanzar dicho objetivo. Sin embargo, la presencia de H2S en el gas combustible produjo la desactivación del transportador de oxígeno en términos de un importante descenso en la reactividad y capacidad CLOU del material, provocando una caída drástica de la eficacia de combustión al pasar de combustión completa a un valor del 72 % en apenas 17 horas de operación con adición de H2S. Además, la presencia de este contaminante generó ciertos problemas operacionales en términos de aglomeración [3]. El transportador de oxígeno basado en cobre exhibió un comportamiento no idóneo cuando el gas combustible alimentado a la planta CLC tenía H2S en concentraciones superiores a 1300 ppmv. En este sentido, las emisiones de SO2 a la salida del reactor de oxidación superaban el límite de emisiones impuesto por la UE y se acumulaba azufre en las partículas del material bajo todas las condiciones de operación. No obstante, durante todos los ensayos experimentales este material mantuvo una alta reactividad y una baja velocidad de atrición sin presencia de aglomeración [4]. El transportador de oxígeno basado en hierro, y preparado por el método de impregnación húmeda incipiente sobre gAl2O3, presentó un comportamiento óptimo para la combustión de gas natural con presencia de H2S, incluso para la combustión de sour gas y acid gas con concentraciones muy elevadas de este contaminante [4,5,6]. Además, este material exhibió una elevada estabilidad mecánica, térmica y química durante largos periodos de operación en continuo en una planta CLC, así como una alta reactividad bajo diferentes condiciones de operación. En este sentido, el inventario de sólidos necesario para quemar gas natural resultó ser muy bajo en comparación con otros transportadores de oxígeno basados en hierro estudiados en la literatura. Finalmente, esta tesis doctoral se concluyó con los estudios cinéticos de las reacciones de oxidación y reducción de los transportadores de manganeso y hierro con O2, CH4, H2 y CO [7,8]. Además, a partir de los resultados obtenidos, y teniendo también en cuenta los datos cinéticos de los transportadores de oxígeno basados en níquel y cobre, se estimaron las velocidades de circulación e inventarios de sólidos necesarios en un sistema CLC para cada uno de los cuatro materiales seleccionados. En todos los casos, los inventarios de sólidos fueron bastante reducidos en comparación con otros transportadores de oxígeno basados en dichos metales, lo cual corroboró la elevada reactividad de los mismos. En respuesta al objetivo final de este trabajo, se identificó al transportador de oxígeno basado en hierro como aquel que presentaba el mejor comportamiento en términos globales para la combustión de gas natural en presencia de H2S como impureza. Por ello, se propone para su escalado a una planta industrial CLC de gas natural. 1. Gayan P, Cabello A, Garcia-Labiano F, Abad A, de Diego LF, Adanez J. Performance of a low Ni content oxygen carrier for fuel gas combustion in a continuous CLC unit using a CaO/Al2O3 system as support. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2013:14,209-19. 2. Cabello A, Gayan P, Garcia-Labiano F, de Diego LF, Abad A, Izquierdo MT, Adanez J. Relevance of the catalytic activity on the performance of a NiO/CaAl2O4 oxygen carrier in a CLC process. Applied Catalysis B: Environmental, 2014:147,980-7. 3. Cabello A, Abad A, Gayan P, de Diego LF, Garcia-Labiano F, Adanez J. Effect of Operating Conditions and H2S Presence on the Performance of CaMg0.1Mn0.9O3d Perovskite Material in Chemical Looping Combustion (CLC). Energy and Fuels, 2014:28,1262-74. 4. de Diego LF, Garcia-Labiano F, Gayan P, Abad A, Cabello A, Adanez J, Sprachmann G. Performance of Cu- and Fe-based oxygen carriers in a 500 Wth CLC unit for sour gas combustion with high H2S content. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2014:28,168-79. 5. Cabello A, Dueso C, Garcia-Labiano F, Gayan P, Abad A, de Diego LF, Adanez J. Performance of a highly reactive impregnated Fe2O3/Al2O3 oxygen carrier with CH4 and H2S in a 500Wth CLC unit. Fuel, 2014:121,117-25. 6. García-Labiano F, de Diego LF, Gayan P, Abad A, Cabello A, Adanez J, Sprachmann G. Energy exploitation of acid gas with high H2S content by means of a chemical looping combustion system. Applied Energy, 2014:136,242-9. 7. de Diego LF, Abad A, Cabello A, Gayan P, Garcia-Labiano F, Adanez J. Reduction and Oxidation Kinetics of a CaMn0.9Mg0.1O3d Oxygen Carrier for Chemical-Looping Combustion. Industrial and Engineering Chemistry Research, 2014:53,87-103. 8. Cabello A, Abad A, Garcia-Labiano F, Gayan P, de Diego LF, Adanez J. Kinetic determination of a highly reactive impregnated Fe2O3/Al2O3 oxygen carrier for use in gas-fueled Chemical Looping Combustion. Chemical Engineering Journal, 2014:258,265-80

Combustión de carbón con captura de CO2 utilizando transportadores sólidos de oxígeno basados en óxido de cobre

El objetivo de esta Tesis Doctoral ha sido demostrar la viabilidad de la combustión de diferentes combustibles sólidos (carbones de diferente rango y biomasa) con captura de CO2 según el proceso denominado CLOU (Chemical Looping with Oxygen Uncoupling) en un sistema en continuo. En este caso se pretende utilizar la propiedad del CuO en un transportador de oxígeno para generar O2 gaseoso. El plan de trabajo llevado a cabo para cumplir el objetivo comenzó con el desarrollo y caracterización de diferentes transportadores de oxígeno basados en CuO adecuados para la combustión de combustibles sólidos (carbón o biomasa) mediante el proceso CLOU. Se prepararon distintos materiales con diferentes contenidos en CuO, distintos soportes y utilizando varios métodos de preparación. Estos materiales se caracterizaron química y físicamente por diferentes técnicas: SEM-EDX, XRD, porosimetría de mercurio, adsorción de N2 (BET), picnometría de He y determinación de la resistencia mecánica. Además, se determinó la reactividad de cada material tanto para el proceso de generación de oxígeno como para su regeneración. En el Instituto de Carboquímica se realizó inicialmente una caracterización de los transportadores de CuO preparados por impregnación húmeda incipiente, extrusión, compresión y spray drying por medio de la medida de sus reactividades redox en N2 y aire en TGA y su resistencia mecánica. También se determinó su capacidad de desprender oxígeno gaseoso a diferentes temperaturas, junto a la velocidad de atrición y la tendencia a la aglomeración durante un alto número de ciclos redox N2-aire en un reactor de lecho fluidizado discontinuo [1]. Una vez seleccionados los mejores candidatos se llevó a cabo una segunda caracterización de transportadores de oxígeno basados en cobre preparados por un método industrial como es el spray drying. Uno de los materiales seleccionados contiene un 60% de CuO y se utilizó MgAl2O4 como material inerte. Este material se caracterizó tanto física como químicamente [2]. El resto de materiales seleccionados contenían un 40% de CuO y como inertes se emplearon MgAl2O4, SiO2 y TiO2, tanto puros como mezclas de ellos en diferentes proporciones [3]. Este trabajo se desarrolló durante una estancia en la Universidad Tecnológica de Chalmers (Gotemburgo, Suecia). Los transportadores preparados se caracterizaron química y físicamente por diferentes técnicas y se determinó su reactividad y su capacidad de desprender oxígeno gaseoso a diferentes temperaturas. También se evaluó la velocidad de atrición y la tendencia a la aglomeración durante un alto número de ciclos redox en un reactor de lecho fluidizado discontinuo. De todo este proceso se seleccionó un transportador de oxígeno que cumplía todas las condiciones para ser usado como transportador de oxígeno en el proceso CLOU: alta reactividad, baja velocidad de atrición y sin tendencia a la aglomeración. Posteriormente, se analizó la capacidad de este transportador de oxígeno para convertir un combustible sólido (carbón y char) en un reactor de lecho fluidizado discontinuo [4]. Adicionalmente, se analizó su máxima velocidad de generación oxígeno en función de la temperatura de reacción. Se encontró que el transportador de oxígeno era capaz de producir oxígeno en condiciones de equilibrio en todas las condiciones operacionales analizadas, incluso cuando las conversiones del transportador de oxígeno eran altas. Este transportador de oxígeno se utilizó en una la planta en continuo consistente en dos reactores de lecho fluidizado interconectados con una potencia de 1.5 kWt, donde se demostró por primera vez durante más de 45 horas el proceso CLOU quemando un carbón bituminoso [5]. Se determinaron las eficacias de combustión y captura de CO2, así como el efecto de las principales variables de operación. Una vez demostrada la viabilidad del proceso con este material, se estudió en la planta en continuo el efecto de distintos tipos de combustibles sólidos en el proceso CLOU [6]. Se usaron carbones de reactividades muy diferentes: un lignito, dos carbones bituminosos y una antracita. Con los datos obtenidos se realizó un estudio de los inventarios de sólido mínimos necesarios para tener una alta eficacia de captura de CO2 con diferentes combustibles. También se llevó a cabo la evaluación del proceso CLOU cuando se utiliza un combustible renovable como la biomasa, obteniéndose unos resultados muy prometedores respecto a la eficacia de captura de CO2 y del inventario necesario [7]. Continuando con el desarrollo del proceso CLOU, se llevó a cabo un estudio del efecto del azufre presente en el combustible [8]. Para ello se utilizó en la planta en continuo un lignito con alto contenido en azufre (5.2% en peso) y se analizaron las emisiones de contaminantes, así como su posible efecto en el transportador de oxígeno. También se realizó una comparativa entre los procesos iG-CLC y CLOU con los resultados obtenidos en la planta en continuo con diferentes combustibles sólidos [9]. Se analizaron las diferencias en las eficacias de combustión y captura de CO2 para tres carbones de diferente rango en ambos procesos. Además, se analizaron las diferencias en las velocidades de conversión de char por ambos procesos para relacionarlas con las diferencias encontradas en las eficiencias. Finalmente, se realizó un modelo para el diseño básico de los reactores de reducción y oxidación de un proceso CLOU. Para calcular los inventarios mínimos de solidos necesarios se estudió la cinética de las reacciones de reducción y oxidación del transportador desarrollado [10] en la TGA. Con los datos cinéticos obtenidos, se realizó una optimización del inventario necesario tanto en el reactor de reducción como en el de oxidación para alcanzar elevados valores de captura de CO2 usando diferentes combustibles sólidos. 1. P. Gayán, I. Adánez-Rubio, A. Abad, L. F. de Diego, F. García-Labiano, J. Adánez. Development of Cu-based oxygen carriers for Chemical-Looping with Oxygen Uncoupling (CLOU) process. Fuel 2012, 96, 226-238. 2. I. Adánez-Rubio, P. Gayán, A. Abad, L.F. de Diego, F. García-Labiano, J. Adánez. Evaluation of a spray-dried CuO/MgAl2O4 oxygen carrier for the chemical-looping with oxygen uncoupling process. Energy & Fuels 2012, 26, 3069-3081. 3. I. Adánez-Rubio, M. Arjmand, H. Leion, P. Gayán, A. Abad, T. Mattisson, A. Lyngfelt. Investigation of combined supports for Cu-based oxygen carriers for chemical-looping with oxygen uncoupling (CLOU). Energy & Fuels 2013, 27, 3918-3927. 4. I. Adánez-Rubio , A. Abad , P. Gayán, L. F. de Diego, F. García-Labiano, J. Adánez. Identification of operational regions in the Chemical-Looping with Oxygen Uncoupling (CLOU) process with a Cu-based oxygen carrier. Fuel 2012, 102, 634-645. 5. A. Abad, I. Adánez-Rubio, P. Gayán, F. García-Labiano, L. F. de Diego, J. Adánez. Demonstration of chemical-looping with oxygen uncoupling (CLOU) process in a 1.5 kWth continuously operating unit using a Cu-based oxygen-carrier. Int. Journal of Greenhouse Gas Control 2012, 6, 189-200. 6. I. Adánez-Rubio, A. Abad, P. Gayán, L. F. de Diego, F. García-Labiano, J. Adánez. Performance of CLOU process in the combustion of different types of coal with CO2 capture. International Journal of Greenhouse Gas Control 2013, 12, 430-440. 7. I. Adánez-Rubio, A. Abad, P. Gayán, L. F. de Diego, F. García-Labiano, J. Adánez. Biomass combustion with CO2 capture by Chemical Looping with Oxygen Uncoupling (CLOU). Fuel Processing Technology, 2014, vol. 124, no. 0, p. 104-114. 8. I. Adánez-Rubio, A. Abad, P. Gayán, F. García-Labiano, L. F. de Diego, J. Adánez. The fate of sulphur in the Cu-based Chemical Looping with Oxygen Uncoupling (CLOU) process. Applied Energy 2014, 113, 1855-1862. 9. J. Adánez, P. Gayán, I. Adánez-Rubio, A. Cuadrat, T. Mendiara, A. Abad, F. García-Labiano, L.F. de Diego. Use of Chemical-Looping processes for coal combustion with CO2 capture. Energy Procedia 2013, 37, 540-549. 10. I. Adánez-Rubio, P. Gayán, A. Abad, F. García-Labiano, L. F. de Diego, J. Adánez. Kinetic analysis of a Cu-based oxygen carrier: Relevance of temperature and oxygen partial pressure on reduction and oxidation reactions rates in Chemical Looping with Oxygen Uncoupling (CLOU). Chemical Engineering Journal, 2014, vol. 256, 69-84

Characterization of a sol-gel derived CuO/CuAl2O4 oxygen carrier for chemical looping combustion (CLC) of gaseous fuels: relevance of gas-solid and oxygen uncoupling reactions

A new sol–gel CuO/CuAl2O4 material was characterized in a thermogravimetric analyzer (TGA) for chemical looping combustion (CLC) with gaseous fuels, including the relevance of the oxygen uncoupling mechanism in oxygen transference was considered. This material possesses high reactivity and oxygen transport capacity, which combines the best features of the previously reported impregnated and spray-dried materials. During the cycles with N2 and air, CuO was fully decomposed into Cu2O in N2 and then regenerated to CuO in air, similarly to chemical looping with oxygen uncoupling (CLOU) for solid fuels. Decomposition of CuAl2O4 to CuAlO2 was quite slow, and the followed regeneration cannot be accomplished. Subsequently, the adequate and stable reaction rates of this material were examined in high numbers of cycles (>50 cycles) with gaseous fuels. The material undergone such cycles with gaseous fuels was then subjected to cycles with N2 and air. Segregation of CuO from Al2O3 in the CuAl2O4 was observed during gaseous fuels combustion, which produced more available oxygen for CLOU than the initial material. Finally, the relative importance of gas–solid reactions in CLC against oxygen uncoupling in CLOU was examined with the appearance of gaseous fuel.This work was supported by “National Natural Science Foundation of China (51390494)”, and “National Basic Research and Development Program (2011CB707300)”. Daofeng Mei is grateful for the support provided by the China Scholarship Council (CSC201306160054).National Natural Science Foundation of ChinaChinese Scholar CouncilPeer reviewe

Desarrollo de un transportador de oxígeno basado en un óxido mixto de manganeso y hierro para su uso en chemical-looping combustion (CLC)

La tecnología Chemical-Looping Combustión (CLC) permite la combustión con captura inherente de CO2 sin ninguna penalización energética respecto a una tradicional. La combustión se realiza gracias a un sólido, normalmente un óxido metálico, que es quien aporta o transporta el oxígeno necesario para la reducción del combustible a CO2 y vapor de agua. En este trabajo, se han desarrollado 9 transportados de oxígeno (TO) preparados por mezcla mecánica y peletización por presión con diferentes relaciones másicas entre los óxidos constituyentes y condiciones de calcinación. Mediante la cantidad de transporte de oxígeno (RTO) y la reactividad mostradas en TGA con H2, y la resistencia mecánica a la fractura de cada uno de ellos, se elige un transportador de oxígeno denominado Mn76Fe_Briq, con una relación en peso de 76% de Mn3O4 y 24% de Fe2O3, una calcinación de 4 h a 950 ºC, que tiene una capacidad de transporte de oxígeno del 6,5%. Se realiza el escalado del método de preparación obteniendo partículas por spray drying en las mismas condiciones. Al carecer de buena resistencia mecánica se volvieron a calcinar durante 1 h a 1350 ºC (Mn76Fe_SD_1350). Se analizó el comportamiento de los dos transportadores en una termobalanza y en un reactor de lecho fluidizado frente a combustibles gaseosos, H2, CH4 y CO, a 950ºC. Mn76Fe_Briq, tras 38 h de operación, mostró buena reactividad con H2 y CO, con una conversión del gas a productos de reacción de entre el 96 y el 100%. La combustión con CH4 fue menos reactiva llegando a una conversión del gas del 65%. Además, las partículas mostraron una moderada velocidad de atrición de 0,286 %finos/h, dándoles una vida útil de 350 h. Mn76Fe_VITO_1350, tras 23 h de operación, mostró muy buena reactividad con H2 y CO con conversiones de estos gases similares a las obtenidas con Mn76Fe_Briq (96-100%). La reactividad que mostraron estas partículas con CH4 fue mucho mejor, alcanzando conversiones del gas, principalmente, a CO2 y H2O del 80%, haciéndolo un transportador de oxígeno válido para la combustión de gas natural. Al someterlo a sucesivos ciclos de reducción y oxidación con H2, el transportador se mostró muy reactivo en la reducción. En la oxidación, a partir del ciclo 3 sufrió una activación. La reactividad de las partículas fue decayendo por la aparición progresiva de H2, pero aun así, la conversión de este gas a H2O fue casi completa, manteniendo el transportador una alta reactividad. La velocidad de atrición fue 0,06 %finos/h, dando una vida útil a las partículas de 1670 h

Influence of limestone addition in a 10 kWth chemical-looping combustion unit operated with petcoke

11 pages, 15 figures, 3 tables.--Published: August 29, 2011Ilmenite, a natural mineral composed of FeTiO3, is a low-cost material suitable as an oxygen carrier for chemical-looping combustion (CLC) with solid fuels. One option when using the CLC technology with solid fuels is to introduce the fuel directly into the fuel reactor. Once in there, the fuel is gasified and volatiles and gasification products react with the oxygen carrier. In this study, the influence of limestone addition to ilmenite as an oxygen carrier was tested in a continuous 10 kWth CLC pilot for solid fuels. The fuel fed was a petcoke, and the gasifying agent was steam. Tests with an ilmenite-limestone mixture as the bed material were performed, and also tests using only ilmenite as the bed material were carried out for comparison. Global solid circulation was varied because it is an important operational parameter, which determines the solid fuel residence time. The experiments were made at two fuel-reactor temperatures: 950 and 1000 °C. Generally, a higher residence time of the fuel and a higher temperature increased both gasification and combustion efficiencies. This was seen for both with and without limestone addition. The addition of limestone gave a significant improvement of gas conversion at 950 °C, which could be explained by lime catalyzing the water-gas shift reaction. Moreover, the presence of limestone significantly increased the char conversion at both 950 and 1000 °C. © 2011 American Chemical Society.This work was partially supported by the European Commis- sion, under the RFCS Program (ECLAIR Project, Contract RFCP-CT-2008-0008), and from Alstom Power Boilers. Ana Cuadrat thanks CSIC for the JAE Predoctoral Fellowship.Peer Reviewe

On a highly reactive Fe2O3/Al2O3 oxygen carrier for in situ gasification chemical looping combustion

Interest in the direct use of solid fuel in chemical looping combustion (CLC) technology makes the in-situ Gasification Chemical Looping Combustion (iG-CLC) an attractive approach for the low-cost capture of CO2. Highly reactive material is required in iG-CLC in order to achievea fast reaction between the fuel and oxygen carrier. In this work, a material,Fe2O3/Al2O3 synthesized by sol-gel,was evaluated in a fluidized-bed reactor by reaction with lignite. This is the first time sol-gel-derived Fe2O3/Al2O3 material has been used in an iG-CLC process. Operation conditions, including steam content in the fluidization gas, temperature and potential oxygen ratio were investigated to explore their influence on combustion and char conversion. The results show that a higher steam concentration can greatly enhance the rate of char gasification and hence the reaction between the lignite and the oxygen carrier, where as a negligible effect of the steam content was noticed on volatile combustion. In addition, the use of the highly reactive Fe-based material prepared by the sol-gel method significantly increased the char gasification rate as compared to other previously evaluated materials. Moreover, the combustion efficiencies of volatiles and char from the lignite,respectively,were studied. Using the Fe2O3/Al2O3 material enabled a low oxygen carrier inventory of 600 kg/MWth to be reached in order to achieve 99% char combustion, which is much lower than that reported in other works. These findings suggest that Fe2O3/Al2O3 prepared by sol-gel is a highly reactive oxygen carrier for iG-CLC.This work was supported by “National Natural Science Foundation of China (51390494)”, and “National Basic Research and Development Program (2011CB707300)”. Daofeng Mei is grateful for the support provided by the Chinese Scholar Council (CSC201306160054). Appreciation is also shown to the staff of the Analytical and Testing Center, Huazhong University of Science and Technology for the related experimental analysis.National Natural Science Foundation of ChinaChinese Scholar CouncilPeer reviewe

Combustión de carbón con captura inherente de CO2 con un transportador de oxígeno basado en un residuo industrial

El proceso Chemical Looping Combustion (CLC) es un método de captura de CO2 por combustión sin N2 en el que la combustión se realiza aportando el oxígeno necesario para la reacción por medio de un transportador de oxígeno. Este transportador de oxígeno, generalmente un óxido metálico, circula entre dos reactores: en uno de ellos se lleva a cabo su reducción junto a la combustión del combustible, y en el otro su oxidación. En la actualidad, la mayoría de las instalaciones experimentales utilizan dos reactores de lecho fluidizado interconectados. En este proyecto se estudiará el proceso CLC con carbón con un tipo de transportador de oxígeno basado en un residuo industrial. Además, a modo de comparación se han utilizado dos transportadores de distinta procedencia (uno sintético y el otro a partir de un mineral). El estudio se centra en la conversión del char en presencia del transportador de oxígeno, ya que ésta es la etapa limitante para obtener elevadas eficacias de captura en el proceso. Se han utilizado tres tipos de char de carbón distintos que han sido preparados por pirólisis de carbón. Se llevaron a cabo experimentos en un reactor de lecho fluidizado en el que se alternaron la reducción y la oxidación del transportador. Para la oxidación, se pasó un flujo de aire por el reactor. Para la reducción, se pasó un flujo de H2O o CO2 como agente gasificante por el reactor y se alimentó char de carbón como combustible. Durante la reducción, se producen dos reacciones en serie: la gasificación del char y la combustión de los gases de gasificación. Cada experimento se ha realizado para varias condiciones de operación distintas, a fin de poder analizar cómo afecta cada una de ellas en el proceso y a cada transportador en particular. El estudio se ha llevado a cabo analizando la velocidad de conversión instantánea de char y la eficacia de combustión para cada uno de los transportadores bajo distintas condiciones de operación. Finalmente, se ha realizado un estudio teórico de la posible aplicación al diseño en una planta CLC con los distintos transportadores utilizados

Evaluación de Hopcalita como transportador de oxígeno en la combustión de combustibles sólidos con captura de CO2

El proceso CLOU (Chemical Looping with Oxygen Uncoupling) es una tecnología de combustión de sólidos con transportadores sólidos de oxígeno con separación inherente del CO2 que permite reducir la penalización energética y los costes de captura de CO2. El proceso CLOU se basa en la tecnología CLC (Chemical-Looping Combustion) en la que se transfiere el oxígeno del aire al combustible por medio de un transportador de oxígeno en forma de óxido metálico. Para ello se utilizan dos reactores de lecho fluidizado interconectados con el transportador de oxígeno circulando continuamente entre ambos. En el reactor de reducción el óxido metálico aporta el oxígeno necesario para la combustión generando CO2 y vapor de agua. Tras la condensación del agua se obtiene una corriente de CO2 prácticamente pura. El transportador de oxígeno reducido se regenera de nuevo al óxido metálico inicial con aire en el reactor de oxidación. El calor generado entre ambos reactores es el mismo que en la combustión convencional. El proceso CLOU utiliza la capacidad que tienen algunos óxidos metálicos de generar oxígeno gaseoso a altas temperaturas. El oxígeno generado reacciona directamente con el combustible sólido, evitando la etapa limitante de gasificación necesaria en un proceso CLC convencional con combustibles sólidos. Este proceso CLOU se ha demostrado con óxidos de cobre, pero es necesario desarrollar materiales con mejores características para su uso como transportador de oxígeno en un sistema industrial. En este sentido, las propiedades de un material con óxidos de cobre y manganeso parecen ser muy prometedoras. El objetivo es evaluar un material particulado comercial de óxido de cobre y manganeso (Hopcalita) para su uso como transportador de oxígeno en CLOU. Para lograr este objetivo, se analizaron las propiedades físico-químicas del material y se prestó especial atención a propiedades clave como son su reactividad, su tendencia a la aglomeración de las partículas y su resistencia mecánica a la atrición. Los experimentos se realizaron en termobalanza y en lecho fluidizado, y se observó la velocidad de transferencia de oxígeno tanto en condiciones neutras (N2) como usando carbón como combustible. Los resultados obtenidos se evaluaron considerando la caracterización físico-química del material utilizando técnicas como TPR, SEM, XRD, Porosimetría de Hg y BET, entre otras

Desarrollo de un transportador de oxígeno con propiedades magnéticas para la combustión de combustibles sólidos con captura de CO2

En este TFM se ha estudiado el efecto de añadir un soporte metálico basado en hierro y manganeso a un transportador de oxígeno que pueda operar en un ciclo CLOU (Chemical looping with oxygen uncoupling). El ciclo CLOU es útil para separar una corriente gaseosa de CO2 en un proceso de combustión. De esta forma se pretende evitar su emisión a la atmósfera, y contribuir a la lucha contra el cambio climático. El transportador que se ha preparado además cuenta con propiedades magnéticas para facilitar su separación de las cenizas y así reutilizarlo, favoreciendo la economía del proceso. De los transportadores, se ha estudiado el magnetismo, la dureza, su capacidad de transporte de oxígeno, el espectrograma de rayos X (XRD), se ha ensayado en termobalanza (TGA) y por último se ha experimentado con él en un pequeño reactor experimental.<br /

Calcination of calcium-based sorbents at pressure in a broad range of CO2 concentrations

11 figures, 3 tablesThe calcination reaction of two limestones and a dolomite with different porous structures was studied by thermogravimetric analysis. The effects of calcination temperature (1048-1173 K), particle size (0.4 2.0 mm), CO2 concentration (0 80%) and total pressure (0.1 1.5 MPa) were investigated. SEM analysis indicated the existence of two different particle calcination models depending on the sorbent type: a shrinking core model with a sharp limit between the uncalcined and calcined parts of the particle and a grain model with changing calcination conversion at the particle radial position. The appropriate reaction model was used to determine the calcination kinetic parameters of each sorbent. Chemical reaction and mass transport in the particle porous system were the main limiting factors of the calcination reaction at the experimental conditions. A Langmuir-Hinshelwood-type kinetic model using the Freundlich isotherm was proposed to account for the effect of the CO2 during sorbent calcination. This allowed us to predict the calcination conversion of very different sorbents in a broad range of CO2 partial pressures. Total pressure also inhibited the sorbent calcination. This fact was accounted for by an additional decrease in the molecular diffusion coefficient with increasing total pressure with respect to that indicated by Fuller's equation.This research was carried out with the financial support from the Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología (CICYT) (Project No. AMB 98-0883). The authors thank Dr. Diego Alvárez for his assistance with the SEM technique.Peer Reviewe