Captura de CO2 mediante oxicombustión. Aplicación de técnicas de fluidodinámica computacional

Abstract

El presente trabajo se enmarca dentro de la tecnología de captura de CO2 mediante la tecnología de oxicombustión o combustión en ausencia de nitrógeno. La oxicombustión emplea como gas comburente una mezcla de oxígeno y gases de chimenea recirculados, mayoritariamente CO2 y H2O(v), de forma que se obtiene una corriente de gases de salida rica en CO2, lista para su posterior compresión y almacenamiento. Actualmente la oxicombustión se plantea como una tecnología prometedora frente a otros procesos, como la absorción en fase líquida en sistemas post-combustión, cuyo principal inconveniente son los elevados requerimientos energéticos necesarios para separar el CO2 diluido de la corriente de gases. Durante el presente trabajo se ha llevado a cabo el estudio del comportamiento de un amplio rango de carbones, bajo diversas condiciones de oxicombustión, así como en atmósfera de aire como referencia. En primer lugar, se ha realizado un estudio preliminar del comportamiento de carbones de distinto rango y procedencia geográfica, en un analizador termogravimétrico. Para reproducir más adecuadamente las condiciones existentes en una caldera de carbón pulverizado, se empleó un reactor de flujo en arrastre. Se llevó a cabo la desvolatilización de los carbones a 1000 ºC, en atmósferas de N2 y en CO2, con el fin de analizar el efecto de la atmósfera de desvolatilización tanto sobre la estructura morfológica del char formado, como sobre su posterior reactividad. El análisis del comportamiento reactivo de los chars se realizó en un analizador termogravimétrico, mediante experimentos de reactividad isotérmica en atmósfera de oxicombustión. Se aplicaron distintos modelos cinéticos para predecir el comportamiento reactivo de dichos chars. También se llevó a cabo la combustión e ignición de los carbones a 1000 ºC, en aire y bajo diferentes condiciones de oxicombustión en el reactor de flujo en arrastre. Los experimentos se llevaron a cabo para varias atmósferas de oxicombustión simulando condiciones de recirculación de gases seca (O2/CO2, 21-35% O2), y para varias atmósferas simulando recirculación de gases húmeda (O2/CO2/H2O(v), 21-35% O2 y 5-20% H2O(v)). Los experimentos de combustión permitieron evaluar el efecto de la atmósfera de combustión sobre el grado de conversión alcanzado, así como sobre las emisiones gaseosas producidas. A partir de los experimentos de ignición se determinó el efecto de la atmósfera de oxicombustión sobre la temperatura de ignición, y se elucidó el mecanismo de ignición en función de la atmósfera empleada, así como del rango de los carbones. Por último, se empleó un programa comercial de fluidodinámica computacional, ANSYS FLUENT, para desarrollar un modelo matemático, que permitió predecir el comportamiento de los carbones durante su combustión en aire y en condiciones de oxicombustión en el reactor de flujo en arrastre. Asimismo, se empleó un programa comercial, FG-DVC, para la simulación de la desvolatilización de los carbones en el reactor de flujo en arrastre, y su posterior inclusión en el modelo matemático desarrollado para el proceso global de combustión de los carbones. Los resultados experimentales obtenidos para el grado de conversión y las emisiones gaseosas se emplearon para validar el modelo de combustión. Los modelos desarrollados han permitido describir adecuadamente el comportamiento de los carbones en condiciones de oxicombustión, así como predecir la formación de emisiones gaseosas y el grado de conversión en el reactor de flujo en arrastre.