Combustión de CH4 en lecho fluidizado con separación inherente de CO2 por medio de transportadores sólidos de oxígeno de base cobre

Abstract

Las emisiones de dióxido de carbono (CO2) de origen humano a la atmósfera han elevado su concentración desde ~270 ppm, antes de la revolución industrial (~1850), hasta ~370 ppm en la actualidad. El dióxido de carbono es uno de los principales responsables del efecto invernadero ya que se encuentra en concentraciones muy superiores a las de otros compuestos (CH4, NOx, CFCs y SF6) también perjudiciales para la estabilidad térmica de la atmósfera. El efecto invernadero y la elevación de la temperatura se encuentran asociados al cambio climático actual que padecemos y para contrarrestar este proceso se deben disminuir las emisiones de CO2 a la atmósfera. Las emisiones de CO2 antropogénicas provienen aproximadamente a partes iguales del transporte, producción de energía y fuentes diversas. Las líneas de actuación tradicionales para disminuir las emisiones de CO2 asociadas a la producción de energía son la mejora de la eficacia de los procesos y la utilización de fuentes de energía con menor contenido en carbono (gas natural en lugar de carbón, energías renovables, energía nuclear, etc.). No obstante, y teniendo en cuenta la alta dependencia de las fuentes de energía fósiles, sus reservas y la capacidad de actuación limitada de las líneas de actuación tradicionales, es preciso adoptar nuevas medidas adicionales para reducir las emisiones de CO2. En este contexto se presenta la captura y almacenamiento de CO2 como una nueva vía complementaria a las medidas ya adoptadas. La captura y almacenamiento de CO2 consiste en la separación de éste del resto de gases que lo acompañan en los procesos de producción de energía a partir de combustibles fósiles, su transporte y almacenamiento seguro definitivo. Sin embargo, para llevar a cabo la captura del CO2 es necesario separarlo de otros gases, siendo ésta la etapa de mayor consumo energético y económico que impide la puesta en marcha de esta ruta con las tecnologías actuales. En esta situación surge el proceso de combustión indirecta o “chemical looping combustión” (CLC) como una de las tecnologías más apropiadas para la producción de energía a partir de combustibles en fase gas sin costes debidos a la separación del CO2 para su posterior almacenamiento. El proceso CLC consiste en separar la combustión convencional de un gas en dos etapas con la ayuda de un transportador sólido de oxígeno, Figura 5.1. En una primera etapa, en el reactor de reducción, el combustible gaseoso se oxida a CO2 y H2O según la Reacción 5.1. En un segundo reactor, reactor de oxidación, el transportador de oxígeno se regenera con aire según la Reacción 5.2, quedando disponible para iniciarse un nuevo ciclo. De este modo, al no ponerse en contacto el combustible con el nitrógeno del aire, la mezcla de gases a la salida del reactor de reducción es solamente CO2 y H2O. Esta mezcla es fácilmente separable por condensación del agua, quedando así el CO2 listo para su acondicionamiento para el transporte y almacenamiento definitivos. Por otra parte, la energía total puesta en juego es equivalente a la de la combustión directa porque la suma de las energías en cada uno de los reactores (Reacción 5.1 y 5.2) es la correspondiente a la combustión directa (Reacción 5.3). Aire O2/N2 CnH2m CO2 H2O Me (+MeO) Reactor de oxidación Reactor de reducción MeO (+Me) MexOy-1 + ½ O2 ? MexOy (2n + m) MexOy + CnH2m ? ?(2n + m) MexOy-1 + m H2O + n CO2 Condensador Q Figura 5.1. Esquema conceptual del sistema CLC Reactor de reducción CnH2m + (2n+m) MexOy ? ? (2n+m) MexOy-1 + m H2O + n CO2 AH1 Reacción 5.1 Reactor de oxidación (2n+m) MexOy-1 + (2n+m)/2 O2 ? ? (2n+m) MexOy AH2 Reacción 5.2 Combustión directa CnH2m + (2n+m)/2 O2 ? n CO2 + m H2O AHc = AH1+AH2 Reacción 5.3