Combustión química en bucle

Figura 1. Diagrama del sistema de reactor CLC
Figura 2. (Izquierda) Diseño de lecho fluidizado dual, la planta piloto de combustión de bucle químico de Darmstadt[1]​ y (Derecha) diseño de lecho fluidizado de lecho móvil interconectado, la planta piloto de colocación directa de carbón de la Universidad Estatal de Ohio[2]​

La combustión química en bucle (CLC) es un proceso tecnológico que suele emplear un sistema de lecho fluidizado doble. El CLC operado con un lecho móvil interconectado con un sistema de lecho fluidizado también se ha empleado como un proceso de tecnología. En CLC, se emplea un óxido metálico como material de lecho que proporciona el oxígeno para la combustión en el reactor de combustible. El metal reducido se transfiere luego al segundo lecho (reactor de aire) y se vuelve a oxidar antes de volver a introducirse nuevamente en el reactor de combustible completando el circuito. La figura 1 muestra un diagrama simplificado del proceso CLC. La figura 2 muestra un ejemplo de un sistema de reactor de circulación de doble lecho fluidizado y un sistema de reactor de circulación de lecho fluidizado de lecho móvil.

El aislamiento del combustible del aire simplifica el número de reacciones químicas en la combustión. El empleo de oxígeno sin nitrógeno y los gases traza que se encuentran en el aire elimina la fuente principal para la formación de óxido de nitrógeno (NOx), produce un gas de combustión compuesto principalmente de dióxido de carbono y vapor de agua; otros contaminantes traza dependen del combustible seleccionado.

Descripción

La combustión química en bucle (CLC) utiliza dos o más reacciones para realizar la oxidación de combustibles basados en hidrocarburos. En su forma más simple, una especie portadora de oxígeno (normalmente un metal) se oxida primero en el aire formando un óxido. Este óxido se reduce luego utilizando un hidrocarburo como reductor en una segunda reacción. Como ejemplo, un sistema basado en hierro que quema carbono puro implicaría las dos reacciones redox:

C(s) + Fe
2O
3(s) → Fe
3O
4(s) + CO
2(g)

 

 

 

 

(1)

Fe
3O
4(s) + O
2(g) → Fe
2O
3(s)

 

 

 

 

(2)

Si se agregan (1) y (2) juntos, el conjunto de reacción se reduce a la oxidación directa del carbono, es decir:

C(s) + O
2(g) → CO2(g)

 

 

 

 

(3)

El CLC se estudió por primera vez como una forma de producir CO2 a partir de combustibles fósiles, utilizando dos lechos fluidizados interconectados.[3]​ Más tarde se propuso como un sistema para aumentar la eficiencia de la central eléctrica.[4]​ La ganancia en eficiencia es posible debido a la mayor reversibilidad de las dos reacciones redox; en la combustión tradicional de una sola etapa, la liberación de la energía de un combustible se produce de manera altamente irreversible, y se aleja considerablemente del equilibrio. En CLC, si se elige un portador de oxígeno apropiado, se puede hacer que ambas reacciones redox ocurran de manera casi reversible y a temperaturas relativamente bajas. Teóricamente, esto permite que una central eléctrica que usa CLC se aproxime a la salida de trabajo ideal para un motor de combustión interna sin exponer los componentes a temperaturas de trabajo excesivas.

Termodinámica

Fig. 3. Diagrama de Sankey de flujos de energía en un sistema reversible de CLC.

La figura 3 ilustra gráficamente los intercambios de energía en un sistema CLC, y muestra un diagrama de Sankey de los flujos de energía que ocurren en un motor reversible basado en CLC. Estudiando la Fig. 1, un motor térmico está dispuesto para recibir calor a alta temperatura de la reacción de oxidación exotérmica. Después de convertir parte de esta energía en trabajo, el motor térmico rechaza la energía restante como calor. Casi todo este rechazo de calor puede ser absorbido por la reacción de reducción endotérmica que ocurre en el reductor. Esta disposición requiere que las reacciones redox sean exotérmicas y endotérmicas respectivamente, pero este es normalmente el caso de la mayoría de los metales.[5]​ Se requiere algún intercambio de calor adicional con el medio ambiente para satisfacer la segunda ley; teóricamente, para un proceso reversible, el intercambio de calor está relacionado con el cambio de entropía estado estándar, ΔSo, de la reacción de oxidación de hidrocarburo primario como sigue:

Qo = ToΔSo

Sin embargo, para la mayoría de los hidrocarburos, ΔSo es un valor pequeño y, como resultado, un motor de alta eficiencia global es teóricamente posible.[6]​

Captura de CO2

Aunque se propuso como un medio para aumentar la eficiencia, en los últimos años, se ha mostrado interés en la CVX como una técnica de captura de carbono.[7]​[8]​ La captura de carbono es facilitada por el CLC porque las dos reacciones redox generan dos corrientes de gases de combustión intrínsecamente separadas: una corriente del reactor de aire, que consiste en N
2 atmosférico y O
2 residual, pero sensiblemente libre de CO2; y una corriente del reactor de combustible que contiene predominantemente CO2 y H
2O con muy poco nitrógeno diluyente. El gas de combustión del reactor de aire se puede descargar a la atmósfera causando una contaminación mínima de CO2. El gas de salida del reductor contiene casi todo el CO2 generado por el sistema y, por lo tanto, se puede decir que el CLC exhibe "captura de carbono inherente", ya que el vapor de agua se puede eliminar fácilmente del segundo gas de combustión a través de la condensación, lo que lleva a una corriente de casi CO2 puro. Esto le da a CLC beneficios claros cuando se compara con las tecnologías de captura de carbono de la competencia, ya que estas últimas generalmente implican una penalización de energía significativa asociada con los sistemas de lavado de post combustión o la entrada de trabajo requerida para las plantas de separación de aire. Esto ha llevado a la propuesta de CLC como una tecnología de captura de carbono de eficiencia energética,[9]​[10]​ capaz de capturar casi todo el CO2, por ejemplo, de una planta de Carbón Químico Directo (CDCL).[11]​[12]​ A los resultados de demostración 200 horas continuas de una unidad CDCL sub-piloto de 25 kW indican casi el 100% de conversión de carbón a CO2 sin arrastre de carbono al reactor de aire.[13]​[14]​

Desarrollo tecnológico

La primera operación de combustión química con combustibles gaseosos se demostró en 2003,[15]​ y luego con combustibles sólidos en 2006.[16]​ La experiencia operativa total en 34 pilotos de 0,3 a 3 MW es más de 9000 h.[17]​[18]​[19]​ Los materiales portadores de oxígeno utilizados en la operación incluyen óxidos monometálicos de níquel, cobre, manganeso y hierro, así como varios óxidos combinados que incluyen óxidos de manganeso combinados con calcio, hierro y sílice. También se han usado minerales naturales, especialmente para combustibles sólidos, incluyendo minerales de hierro, minerales de manganeso e ilmenita.

Coste y penalización energética

Una evaluación tecnológica detallada de la combustión química de combustible sólido, es decir, el carbón, para una planta de energía de 1000 MW muestra que los costos adicionales del reactor de CLC en comparación con una caldera de lecho fluidizado circulante normal son pequeños, debido a las similitudes de las tecnologías. Los principales costos son en cambio la compresión de CO2, necesaria en todas las tecnologías de captura de CO2 y la producción de oxígeno. La producción de oxígeno molecular también puede ser necesaria en cierta configuración de CLC para pulir el gas producto del reactor de combustible. En todos los costos adicionales se estimaron en 20 €/tonelada de CO2, mientras que la penalización energética fue del 4%.[20]​

Variantes y tecnologías relacionadas

Una variante de CLC es la combustión química con desacoplamiento de oxígeno (CLOU), donde se utiliza un transportador de oxígeno que libera oxígeno en fase gaseosa en el reactor de combustible, por ejemplo CuO/Cu
2O.[21]​ Esto es útil para lograr una alta conversión de gas, y especialmente cuando se usan combustibles sólidos, donde se puede evitar la lenta gasificación del carbón. La operación CLOU con combustibles sólidos muestra un alto rendimiento[22]​[23]​

El uso de lazos químicos también se puede utilizar para producir hidrógeno en los procesos de reformado de procesos químicos (CLR).[24]​[25]​ En una configuración del proceso CLR, el hidrógeno se produce a partir de carbón y / o gas natural utilizando un reactor de combustible de lecho móvil integrado con un reactor de vapor y un reactor de aire de lecho fluidizado. Esta configuración de CLR puede producir más de un 99% de pureza H 2 sin la necesidad de separación de CO2.[19]​[26]​

En revisiones recientes sobre tecnologías de bucles químicos se dan descripciones generales del campo.[7]​[27]​[28]​

En resumen, el CLC puede lograr un aumento en la eficiencia de la estación de energía simultáneamente con la captura de carbón con bajo consumo de energía. Los desafíos con CLC incluyen la operación de doble lecho fluidizado (mantener la fluidización del portador mientras se evita el aplastamiento y el desgaste) y mantener la estabilidad del portador durante muchos ciclos.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Ströhle, Jochen; Orth, Matthias; Epple, Bernd (January 2014). «Design and operation of a 1MWth chemical looping plant». Applied Energy 113: 1490-1495. ISSN 0306-2619. doi:10.1016/j.apenergy.2013.09.008. 
  2. ↑ Liang-Shih, Fan. Chemical looping partial oxidation : gasification, reforming, and chemical syntheses. Cambridge. ISBN 9781108157841. OCLC 1011516037. 
  3. ↑ Lewis, W., Gilliland, E. and Sweeney, M. (1951). «Gasification of carbon». Chemical Engineering Progress 47: 251-256. 
  4. ↑ Richter, H.J.; Knoche, K.F. (1983). Reversibility of combustion processes, in Efficiency and Costing – Second law analysis of processes. (235). pp. 71-85. 
  5. ↑ Jerndal, E., Mattisson, T. and Lyngfelt, A. (2006). «Thermal analysis of chemical-looping combustion». Trans IChemE, Part a Chem. Eng. Res. And Des. 84 (9): 795-806. doi:10.1205/cherd05020. 
  6. ↑ McGlashan, N.R. (2008). «Chemical looping combustion – a thermodynamic study». Proc. Inst. Mech. Eng. C 222 (6): 1005-1019. doi:10.1243/09544062JMES790. 
  7. ↑ a b Liang-Shih., Fan (2010). Chemical looping systems for fossil energy conversions. Hoboken, NJ: Wiley-AIChE. ISBN 9780470872888. OCLC 663464865. 
  8. ↑ Fan, Liang-Shih; Zeng, Liang; Wang, William; Luo, Siwei (2012). «Chemical looping processes for CO2 capture and carbonaceous fuel conversion – prospect and opportunity». Energy & Environmental Science (en inglés) 5 (6): 7254. ISSN 1754-5692. doi:10.1039/c2ee03198a. 
  9. ↑ Ishida, M.; Jin, N. (1997). «CO2 Recovery in a power plant with chemical looping combustion». Energy Conv. Mgmt. 38: S187-S192. doi:10.1016/S0196-8904(96)00267-1. 
  10. ↑ Brandvoll, Ø.; Bolland, O. (2004). «Inherent CO2 capture using chemical looping combustion in a natural gas fired cycle». Trans. ASME 126 (2): 316-321. doi:10.1115/1.1615251. 
  11. ↑ Gorder, Pam (5 de febrero de 2013). «New Coal Technology Harnesses Energy Without Burning, Nears Pilot-Scale Development». researchnews.osu.edu. Archivado desde el original el 21 de diciembre de 2016. Consultado el 4 de noviembre de 2016. 
  12. ↑ Bayham, Samuel; McGiveron, Omar; Tong, Andrew; Chung, Elena; Kathe, Mandar; Wang, Dawei; Zeng, Liang; Fan, Liang-Shih (May 2015). «Parametric and dynamic studies of an iron-based 25-kW th coal direct chemical looping unit using sub-bituminous coal». Applied Energy 145: 354-363. ISSN 0306-2619. doi:10.1016/j.apenergy.2015.02.026. 
  13. ↑ Bayham, Samuel C.; Kim, Hyung R.; Wang, Dawei; Tong, Andrew; Zeng, Liang; McGiveron, Omar; Kathe, Mandar V.; Chung, Elena et al. (8 de marzo de 2013). «Iron-Based Coal Direct Chemical Looping Combustion Process: 200-h Continuous Operation of a 25-kWth Subpilot Unit». Energy & Fuels (en inglés) 27 (3): 1347-1356. ISSN 0887-0624. doi:10.1021/ef400010s. 
  14. ↑ Chung, Cheng; Pottimurthy, Yaswanth; Xu, Mingyuan; Hsieh, Tien-Lin; Xu, Dikai; Zhang, Yitao; Chen, Yu-Yen; He, Pengfei et al. (December 2017). «Fate of sulfur in coal-direct chemical looping systems». Applied Energy 208: 678-690. ISSN 0306-2619. doi:10.1016/j.apenergy.2017.09.079. 
  15. ↑ Lyngfelt, A. (2004). «A New Combustion Technology». Greenhouse Gas Issues. No.73: 2-3. 
  16. ↑ Lyngfelt, A. (2007). «Chemical-looping combustion of solid fuels». Greenhouse Gas Issues. No. 85: 9-10. 
  17. ↑ Lyngfelt, A. (2011). «Oxygen carriers for chemical-looping combustion - 4000 h of operational experience». Oil & Gas Science and Technology. 66:2 (2): 161-172. doi:10.2516/ogst/2010038. 
  18. ↑ Lyngfelt, A; Linderholm, C. «Chemical-Looping Combustion of Solid Fuels – status and recent progress». 13th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, GHGT-13, 14–18 November 2016, Lausanne, Switzerland. 
  19. ↑ a b Tong, Andrew; Bayham, Samuel; Kathe, Mandar V.; Zeng, Liang; Luo, Siwei; Fan, Liang-Shih (January 2014). «Iron-based syngas chemical looping process and coal-direct chemical looping process development at Ohio State University». Applied Energy 113: 1836-1845. ISSN 0306-2619. doi:10.1016/j.apenergy.2013.05.024. 
  20. ↑ Lyngfelt, Anders; Leckner, Bo (1 de noviembre de 2015). «A 1000 MWth boiler for chemical-looping combustion of solid fuels – Discussion of design and costs». Applied Energy 157: 475-487. doi:10.1016/j.apenergy.2015.04.057. 
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  22. ↑ Abad, A., Adánez-Rubio, I. Gayán, P. García-Labiano, F. de Diego L. F. and Adánez, J. (2012). «Demonstration of chemical-looping with oxygen uncoupling (CLOU) process in a 1.5kW th continuously operating unit using a Cu-based oxygen-carrier». International Journal of Greenhouse Gas Control 6: 189-200. doi:10.1016/j.ijggc.2011.10.016. 
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  24. ↑ Rydén, M.; Lyngfelt, A. (2006). «Using steam reforming to produce hydrogen with carbon dioxide capture by chemical-looping combustion». Journal of Hydrogen Energy 31 (10): 1631-1641. doi:10.1016/j.ijhydene.2005.12.003. 
  25. ↑ Rydén, M.; Lyngfelt, A.; Mattisson, T. (2006). «Synthesis gas generation by chemical-looping reforming in a continuously operating laboratory reactor». Fuel 85 (12–13): 1631-1641. doi:10.1016/j.fuel.2006.02.004. 
  26. ↑ Tong, Andrew; Sridhar, Deepak; Sun, Zhenchao; Kim, Hyung R.; Zeng, Liang; Wang, Fei; Wang, Dawei; Kathe, Mandar V. et al. (January 2013). «Continuous high purity hydrogen generation from a syngas chemical looping 25kWth sub-pilot unit with 100% carbon capture». Fuel 103: 495-505. ISSN 0016-2361. doi:10.1016/j.fuel.2012.06.088. 
  27. ↑ Lyngfelt, A. y Mattisson, T. (2011) "Materiales para la combustión química en bucle", en D. Stolten y V. Scherer, Captura eficiente de carbono para centrales eléctricas de carbón, Weinheim, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co .. KGaA , 475-504.
  28. ↑ Adánez, J.; Abad, A. Garcia-Labiano; F. Gayan P.; de Diego, L. (2012). «Progress in Chemical-Looping Combustion and Reforming technologies'». Progress in Energy and Combustion Science 38 (2): 215-282. doi:10.1016/j.pecs.2011.09.001. 

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