Carbon dioxide capture and utilization by VPSA: a sustainable development
El continu increment en l'ús de les energies renovables i els objectius per a la reducció de les emissions de diòxid de carboni (CO2) requereixen canvis significatius tant a nivell tècnic com a nivell normatiu. La captura i utilització de diòxid de carboni (CCU, per les sigles en anglès) és un...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2019 |
| País: | España |
| Institución: | CBUC, CESCA |
| Repositorio: | TDR. Tesis Doctorales en Red |
| OAI Identifier: | oai:www.tdx.cat:10803/666277 |
| Acceso en línea: | http://hdl.handle.net/10803/666277 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | PSA CO2 CCS CCU VPSA Adsorption Pressure Swing Vacumm Wastewater Enginyeria, indústria i construcció 504 544 62 620 66 |
| Sumario: | El continu increment en l'ús de les energies renovables i els objectius per a la reducció de les emissions de diòxid de carboni (CO2) requereixen canvis significatius tant a nivell tècnic com a nivell normatiu. La captura i utilització de diòxid de carboni (CCU, per les sigles en anglès) és un mètode eficaç per aconseguir la mitigació del CO2 i al mateix temps mantenir de forma segura els subministraments d'energia. Si bé la demanda a la reducció de les emissions de CO2 està augmentant, l'eficiència energètica i el cost dels processos de captura de CO2 segueixen sent un factor limitant per a les aplicacions industrials. En el present treball s'estudia l'ús del procés d'adsorció per oscil·lació de pressió i buit (VPSA, per les sigles en anglès) amb adsorbents d'alta selectivitat per separar el CO2 dels gasos de combustió, com un mètode alternatiu al procés d'absorció tradicional amb amines. Es realitza un estudi preliminar mitjançant Anàlisi Tèrmica per determinar la capacitat d’adsorció i el comportament cíclic de la captura de CO2 per deu adsorbents comercials, inclosos els tamisos moleculars de carboni (CMS) i les zeolites. L'anàlisi es va fer amb CO2 pur, N2 pur i mescles dels dos gasos en la proporció 15%/85% que correspon a la composició d’un gas de combustió normal; s’usen les zeolites comercials 13X, 5A, 4A sense i amb aglomerants i tres tamisos moleculars de carboni (CMS) en l’interval de pressió de 0 a 10 bar i a 283K, 298K, 232K i 323 K de temperatura. Els resultats s’han ajustat amb els models Toth, Sips i Dual Site Langmuir (DSL). Es va realitzar una selecció entre deu adsorbents comercials per a la captura de CO2, inclosos els tamisos moleculars de carbó (CMS, per les sigles en anglès) i les zeolites. Es van determinar les propietats texturals, la capacitat d'adsorció i el comportament cíclic dels adsorbents per comparar el seu comportament a la separació del diòxid de carboni del nitrogen. Posteriorment, es van mesurar les isotermes d'adsorció d'un sol component en la balança de suspensió magnètica a quatre temperatures diferents (283, 298, 232 i 323 K) i en un ampli marge de pressions (de 0 a 10 bara). Les dades sobre les isotermes de components purs es van correlacionar utilitzant els models Toth, Sips i Dual Site Langmuir (DSL). Es van dissenyar i construir tres unitats de laboratori per realitzar l'experimentació del procés VPSA. La primera unitat es va usar per a la producció i el control de mescles gasoses de CO2 i N2 a una pressió màxima de 9 bara. En la segona unitat es van dur a terme la determinació dels equilibris d'adsorció amb una barreja de composició semblant a la dels gasos de combustió (15/85% de CO2/N2 v/v). Amb el programa Aspen Adsorption® es va simular el sistema experimental, obtenint que les prediccions del model DSL reprodueixen suficientment bé els resultats experimentals de les corbes de ruptura i els perfils de temperatura en el llit fix. A més, es van fer estudis dinàmics per avaluar les zeolites 5ABL i 13XBL usant el procés VPSA discontinu per a la separació CO2 de N2. La unitat dos es va dotar d'un sistema de control amb una interfície PLC que facilita la seva operació i automatització, usant una estratègia de control desenvolupada en aquest treball. En base als resultats obtinguts amb la unitat dos, tant experimentals com simulats, es va trobar que la zeolita 13XBL era la més adequada per al procés VPSA proposat. Els resultats experimentals es van emprar per alimentar el disseny de la unitat dos a Aspen Adsorption® i validar el model usat que al seu torn es va utilitzar per realitzar un disseny complet d'experiències de dos factors (26) en configuració continua. La tercera unitat experimental consta de tres columnes d'adsorció on es va incloure l'estratègia de control desenvolupada per la unitat dos i es va incloure la recirculació dels corrents rics en N2 i CO2. Es van dur a terme tres experiments del procés VPSA cíclic de 8 passos canviant els paràmetres de control del procés automatitzat i usant la zeolita 13XBL com adsorbent. Es va aconseguir satisfer els objectius en termes puresa de CO2 (> 80%) i consum energètic (<2.5 kWh/kgCO2). Sobre la base dels resultats experimentals i simulats, es va realitzar una demostració a escala pilot de la captura de CO2 del gas de combustió d'una caldera de vapor en una planta industrial a situada a la província de Barcelona.La planta pilot de captura de CO2 consta d'un procés de pretractament dels gasos de combustió, una unitat VPSA acoblada amb una unitat de deshumidificació i una aplicació industrial per a l'ús del CO2. A la unitat de pretractament, els gasos de combustió es van refredar de 70ºC a 25ºC i es van desnitrificar. A la unitat de deshumidificació, es va eliminar el vapor d'aigua del gas desnitrificat mitjançant adsorció sobre alúmina. Posteriorment, es va emprar el procés VPSA de vuit passos amb tres columnes usant zeolita 13XBL, en la qual es va obtenir un corrent enriquit de CO2 de 85 a 95% de puresa de CO2, amb una recuperació del 48 a 56%, una productivitat de 0,20-0,25 gCO2/(gads·h) i un consum energètic de 1.48 kWh/kgCO2. El CO2 recuperat es va usar per reemplaçar l'ús d'àcids minerals en l'etapa de regulació del pH de la planta de tractament d'aigües residuals existent a la fàbrica. Per tant, el procés desenvolupat és una alternativa efectiva per separar el CO2 dels punts d'emissió de gasos de combustió industrial i utilitzar el CO2 recuperat com a matèria primera per a aplicacions industrials. L'ús de CO2 capturat en aquestes fonts d'emissió té dos avantatges clars. D'una banda, es van reduir les emissions de CO2 a la atmosfera. De l'altra, va permetre reutilitzar i transformar un contaminant ambiental en compostos neutres. |
|---|