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Oxicombustion - Cementos ARGOS - FICEM - SEP 2012 - SJO1

Oxicombustión:

Una alternativa para la captura de CO2 y la transformación del proceso productivo tradicional del cemento.

FICEM-APCACSan Jose (Costa Rica), Septiembre 2012


CONTENIDO

1. Oxicombustión• Oxicombustión-Enriquecimiento con O2. • Marco teórico y Actores• Objetivos• Alcance

2. Desarrollo de la iniciativa• Metodología• Resultados

3. Conclusiones4. Recomendaciones.

Oxicombustión

Oxicombustion vs Enriquecimiento Marco teóricoObjetivoAlcance


Oxicombustión-Enriquecimiento con O2 ¿diferentes?

• Oxi-combustión: Tecnología que involucra altas concentraciones de O2 en un ambiente que usa CO2 como gas de balance

• Enriquecimiento con O2 : Tecnología que consiste en aumentar en un porcentaje (3-5%) el volumen de oxigeno para mejorar la combustión.

IPCC –2005 / CCP

CH4 + H2O → CO + 3 H2CO + H2O → CO2 + H2


Marco teórico

La oxicombustión se concibe como una alimentación de O2 en alta concentración acompañada de gases de combustión recirculados. Como componente principal se encuentra el CO2 , pequeñas cantidades de NOx, CO, H2O y otros [1], posibilidad de menor consumo de energía y facilita la captura de CO2 en chimenea.

UdeA - UNALMED

Oxi-Combustión

Atmósferas

Conversión del carbón

T partícula

Proceso


Objetivos

• Determinar la variación de los parámetros básicos de combustión de carbón en lecho fluidizado en la metodología convencional con aire y en oxi-combustión en lecho fluidizado.

1. Evaluar el efecto de diferentes atmósferas de combustión (Experimental)

2. Analizar las variaciones en los perfiles de conversión de semicoque de carbón (Experimental)

3. Evaluar las diferencias en la temperatura de partícula (Experimental)

4. Evaluación termodinámica y económica preliminar de la viabilidad técnica (Modelado).


Alcance

• Desde la evaluación teórica experimental de la oxicombustión, hasta la evaluación teórica de la implementación industrial.

Los parámetros a determinar serían: conversión (eficiencia), perfiles de temperatura, temperatura de ignición, emisiones de NOX y SOX (estos dependen del tipo de combustible a emplear).

http://www.greentechmedia.com/articles/read/carbon-capture-according-to-stanford-university/ http://www.patfab.com/about_patfab.htm

Desarrollo del proyecto

Metodología.Resultados.Recomendaciones.


MetodologíaFase experimental:1. Caracterización del material carbonoso.2. Determinación de las características de combustión.3. Determinación de la temperatura de partícula.

50O2/50CO2

40O2/60CO2

30O2/70CO2

25O2/75CO2

21O2/79CO2

CO


ResultadosFase experimental:2. Determinación de las características de combustión.

Baja T de inicio de la reacción

Aumenta la conversión


ResultadosFase experimental:3. Determinación de la temperatura de partícula (Tp).

Mayor Tp conmayor oxígeno

El aire enriquecido presenta mayor Tp que usando CO2, debido a la Cp del CO2

Enriquecimiento

Blanco


MetodologíaFase modelado:1. Modelo Global.2. Modelo unidimensional.3. CFD.4. Modelo económico

GS: Gas secundarioGAP: Gas arrastre primario

ASU

CO2 H2O

N2

O2Aire

Carbón

Rg

GAP

GS

Intercambiadorde calor 1


Sg

Gg


ResultadosFase modelado:1. Modelo Global.Busca determinar el % de O2 y recirculación en el proceso global.

GS: Gas secundarioGAP: Gas arrastre primario

yO2= 0.32

%R= 60-68%

ASU

CO2 H2O

N2

O2Aire

Carbón

Rg

GAP

GS



Sg

Gg


ResultadosFase modelado:2. Modelo unidimensional.Evalúa efectos dinámicos, geométricos y cinéticos en el horno.

El modelo formulado predice el comportamiento observado experimentalmente en cuanto a la distribución axial de temperatura (datos experimentales reportados por Watkinson & Brimacombe).

qr qh

qr qh

qr qh

qr qh

qcqc

CO2 ,H2O

RefractarioMetalAislante

Gases

Sólidos

CO2 ,H2O

RefractarioMetalAislante

Gases

Sólidos


ResultadosFase modelado:3. CFD.Se usa para estudiar la dinámica de los fluidos al interior del horno.

Prima la radiación. Menor longitud de llama.


ResultadosFase modelado:4. Modelo económico, estimación del costo:

Max incremento de masa 12.5%Se toma como base de comparación un Costo operativo que valora solo lo relacionado con el combustible (asumiendo los otros costos constantes) obteniendo: $30851/tcker

TecnologíaPureza del

oxígeno (% v/v)Capacidad

(ton O 2 / día)Consumo energético

(kWh / ton O 2)

Separación criogénica < 99 < 5000 220 – 400

Adsorción por cambio de presión – PSA- 90-95 < 200 560 – 980

Adsorción por cambio de presión con vacío – VPSA 90-94 < 250 300 – 420

Sistema de membranas < 99 < 35 225

m (%)Costo oxígeno ($/ ton clinker)

Costo total ($/ ton clinker)

EASU=220 400 EASU=220 400

0.0 13375 27772 44226 567232.5 13002 27095 43101 552935.0 12647 26450 42029 539317.5 12309 25834 41008 52633

10.0 11986 25247 40032 5139412.5 11677 24686 39101 50209

ConclusionesRecomendaciones


Conclusiones

• ⇑O2 → ⇑ Velocidad conversión(Vpm) → ⇓ Tiempo de combustión→ ⇓ T inicio reacción→ ⇑ La T partícula (Tp)

• Limitar entre 60-68% la recirculación de gases, logrando igual transferencia de calor por convección que el proceso con aire.

• Incrementa y mejora la transferencia de calor por radiación.• Se generan llamas cortas y de mayor temperatura.• Incremento de la carga hasta 12.5%, • Se obtiene un gas con altas concentraciones de CO2. • Incrementa el costo 27%


Recomendaciones

• Se recomienda estudiar la oxicombustión usando combustibles alternativos, su bajo costo compensaría el alto coste de la unidad de separación de aire.

• Se recomienda considerar la oxicombustión como alternativa para la captura de CO2.

• Se recomienda profundizar en las necesidades de equipos y modificaciones de proceso, ya que la oxicombustión implica cambios relevantes de diseño.

• Se recomienda considerar el enriquecimiento con O2, puede ser de fácil adaptación en los sistemas de producción existentes y tiene beneficios potenciales en aumento de producción usando una menor proporción de O2.

GRACIAS

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