Combustión de gases con separación inherente de CO2 mediante transportadores de oxígeno basados en NiO

Abstract

[EN] According to the Intergovernmental Panel on Climate Change, the most important greenhouse gas that contributes to global warming is CO2, from fossil fuel combustion for power generation, transport, industry and domestic use. About a third of the global CO2 emissions comes from the burning of fossil fuels in power generation. One option to reduce the emissions of this gas and still use fossil fuels is to capture and storage CO2 in geological formations. There are different technologies available or currently under development which accomplish the capture of CO2 from combustion sources, i.e. pre-combustion, post-combustion or oxyfuel technologies. Nowadays, most of these processes require high amounts of energy resulting in an increase in the cost of energy production and efficiency losses. Chemical Looping Combustion (CLC) has been proposed as a possible solution for the disadvantages of other capture technologies, because it combines power production and CO2 capture in a single stage and produces a pure CO2 stream ready for compression and sequestration without any separation step or need of additional energy. A solid oxygen carrier in the form of metallic oxide particles transports the oxygen from the combustion air to the fuel, thus avoiding the dilution of exhaust gases from the power plant with the N2 of the air. The aim of this work was the development of a NiO-based oxygen carrier for the CLC process using gaseous fuels supported on Al2O3 with low content of nickel oxide. Despite NiAl2O4 formation could not be completely avoided, high combustion efficiencies, close to the thermodynamic limit, were reached in a 500 Wth CLC continuous plant with CH4 and syngas. The influence of the main operating conditions (fuel reactor temperature, oxygen carrier-to-fuel ratio and fuel composition) on reactivity, carbon deposition, solid agglomeration and combustion efficiency was also analyzed. Light hydrocarbons, C2-C3, were also converted in this facility without carbon deposition or particle agglomeration. Presence of H2S in the fuel decreased oxygen carrier reactivity due to Ni3S2 formation. Nevertheless, this loss of reactivity had low relevance with H2S concentrations below 100 vppm. Kinetic parameters for the combustion of CH4, CO and H2 and oxidation reaction were determined from TGA experiments and used for the simplified design of a CLC system.

[ES] De acuerdo al Panel Intergubernamental de Cambio Climático de la ONU, el gas de efecto invernadero que más contribuye al calentamiento global es el CO2, procedente fundamentalmente de la combustión de combustibles fósiles en la generación de energía, el transporte, la industria y usos domésticos. Aproximadamente un tercio de las emisiones globales de CO2 corresponden a los procesos de producción de energía. Una opción para reducir las emisiones de este gas y su concentración en la atmósfera es la captura y el posterior almacenamiento del CO2. Actualmente existen diferentes tecnologías de captura disponibles o en fase de desarrollo basadas en procesos de pre-combustión, post-combustión u oxicombustión. Sin embargo, la mayoría de ellas presentan la desventaja de necesitar una gran cantidad de energía, aumentando los costes y disminuyendo la eficacia global de los procesos. La combustión utilizando transportadores de oxígeno (Chemical Looping Combustion, CLC) se ha convertido en una alternativa muy interesante frente a otros sistemas de captura porque combina la combustión y la separación de CO2 en una sola etapa y produce una corriente de este gas lista para su compresión y almacenamiento sin necesidad de ningún proceso de separación o consumos adicionales de energía. La tecnología CLC se basa en la transferencia de 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. El óxido metálico se reduce a metal por medio del gas combustible (CH4, CO + H2), produciendo CO2 y vapor de agua (reactor de reducción), que al condensarse permite obtener CO2 prácticamente puro, pudiendo después comprimirlo y almacenarlo. El transportador de oxígeno, metal, se regenera de nuevo a óxido metálico con aire en el reactor de oxidación, dando una corriente concentrada en N2 sin CO2. La cantidad total de calor generada en los dos reactores del proceso CLC es la misma que en un combustor tradicional. El objetivo de este trabajo fue desarrollar un transportador de oxígeno de base níquel para el proceso CLC con combustibles gaseosos soportado en Al2O3 con un bajo contenido de óxido metálico. Aunque la formación de aluminato de níquel, menos reactivo que el óxido de níquel libre, no pudo evitarse completamente, se consiguieron elevadas eficacias de combustión cercanas al límite termodinámico trabajando en una planta CLC de 500 Wt con circulación de sólidos con CH4 y gas de síntesis (CO+H2) como combustibles. Se estudió la influencia de las principales variables de operación (temperatura del reactor de reducción, relación oxígeno transportado-combustible y composición del combustible) en la reactividad, la deposición de carbono, la aglomeración y la eficacia de combustión. También se consiguió convertir hidrocarburos ligeros, C2-C3, en esta unidad sin que se produjese deposición de carbono o aglomeración de las partículas. La presencia de H2S en el combustible reducía la reactividad del transportador de oxígeno debido a la formación de Ni3S2. Sin embargo, esta pérdida de reactividad era poco importante cuando la concentración de H2S era menor de 100 ppm. Los parámetros cinéticos para la reducción con CH4, CO e H2 y la oxidación con O2 se obtuvieron a partir de experimentos en termobalanza y fueron posteriormente utilizados para el diseño simplificado de un sistema CLC.