Desarrollos de nuevos procesos de captura de CO2 con CaO en cementeras

Abstract

La industria del cemento es responsable del 8% de las emisiones globales de CO2 y se sitúa como la segunda industria en emisiones directas de este gas de efecto invernadero. Además, se prevé que su demanda se incremente aún más durante las próximas décadas. Por tanto, el sector del cemento se enfrenta a un doble desafío, hacer frente a la creciente demanda de producto y disminuir las emisiones de CO2 generadas durante su producción. Aproximadamente, dos terceras partes de las emisiones generadas durante la producción del cemento provienen de la calcinación de la caliza, mientras que el tercio restante se originan durante la combustión del combustible. Entre las distintas medidas de mitigación, la implementación de tecnologías de captura y almacenamiento de CO2 se presenta como una medida clave dado que es la única opción disponible para reducir de forma efectiva las emisiones de CO2 inherentes al proceso. Dentro de los sistemas de captura, la tecnología de carbonatación-calcinación se muestra como una alternativa muy ventajosa y prometedora debido a su baja penalización energética. Además, la caliza, precursor del sorbente de CO2, es a su vez materia prima en la producción del cemento, lo que permite no solo reutilizar el material purgado, sino también integrar de una forma más óptima y directa el proceso de captura de CO2 con la cementera. En el marco de esta Tesis Doctoral se han realizado una serie de trabajos que tienen como fin contribuir al desarrollo de procesos avanzados de carbonatación-calcinación. Una opción para integrar ambos procesos consiste en utilizar un único calcinador para alimentar el material calcinado al horno rotatorio y al carbonatador del sistema de captura, aprovechando el hecho de que la caliza es materia prima común en ambos procesos. El pequeño tamaño de partícula de los sólidos empleados en las cementeras (<30 µm) hace más adecuada la utilización de reactores de flujo en arrastre para el calcinador y el carbonatador. Por ello, se ha realizado un estudio experimental en planta piloto de las etapas de carbonatación y calcinación y de las cinéticas de estas reacciones, bajo las condiciones esperadas en estos reactores, es decir, cortos tiempos de contacto entre el gas y el sólido. Estos trabajos han permitido demostrar la viabilidad de los reactores de lecho arrastrado y desarrollar modelos cinéticos a nivel de partícula para ambas reacciones. Por otro lado, con el fin de reducir la penalización energética derivada de la necesidad de quemar combustible en el calcinador en condiciones de oxi-combustión, se han planteado procesos en los que el aporte extra de energía necesario para la calcinación se realiza a través de ciclos de sólidos a alta temperatura utilizando transportadores de oxígeno. La integración de estos procesos en una cementera requiere un sistema compuesto por un segregador y tres reactores (el reactor de oxidación, el de reducción que hace a su vez de calcinador y el carbonatador). En la etapa de segregación, se separa el transportador de oxígeno del óxido de calcio y, por tanto, su funcionamiento es clave para asegurar un adecuado control y operación del sistema. En consecuencia, se ha llevado a cabo un estudio de la fluidodinámica de los procesos de segregación implicados. Para este fin, se ha desarrollado un nuevo procedimiento de determinación del perfil de concentración axial en un lecho fluidizado, así como el modelado de la segregación de mezclas binarias de sólidos que difieren suficientemente en densidad y/o tamaño de partícula.