CENTRAL TÉRMICA
3.2.1.2. Principales resultados obtenidos
Una vez construido el modelo de simulación completo, se resolvieron los balances de materia y energía para tres valores de Ec diferentes en el carbonatador (70, 80 y 90 %) modificando el ratio F0/FCO2 en un rango de 0.05-0.4. En la resolución de estos balances de
materia y energía se tomó un inventario de sólidos en el carbonatador de 1500-2000 kg/m2,
trabajando con una velocidad superficial del gas de 6 m/s. En la figura 3.3 se representan los resultados obtenidos al resolver los balances de materia y de energía para los diferentes valores de Ec. Para representar estos resultados se ha empleado el ratio t CaCO3/t carbón
total, que es la masa de CaCO3 fresco alimentado en el calcinador en relación a la masa
total de carbón alimentado a la caldera de la CT existente y al calcinador del sistema de captura de CO2, y el cociente Hcal/(Hcal+Hcomb) que representa el porcentaje de energía introducido con el carbón en el calcinador con respecto del total de energía introducida en el proceso completo, calculada como el producto PCIcarbón·mcarbón en cada caso. De cada
una de las curvas de Ec representadas en la figura 3.3 se escogieron 3 puntos distintos con el objetivo de analizar la integración energética con un nuevo ciclo de vapor supercrítico bajo tres estrategias de operación distintas:
3.2. Análisis de procesos de carbonatación/calcinación aplicados a centrales de carbón 73 Operación con bajo F0, que implica operar el sistema con un sorbente con baja
capacidad de captura de CO2, y por tanto alta circulación de sólido entre reactores
(alto FCa) para conseguir un valor determinado de Ec
Operación con alto F0, que implica operar el sistema con un sorbente muy activo, y
por tanto con baja circulación de sólido entre reactores (bajo FCa) para conseguir un
valor determinado de Ec
Operación con mínimo tamaño de calcinador, que se corresponde con el punto asociado al mínimo valor del ratio Hcal/(Hcal+Hcomb) en cada curva de Ec en la figura
3.3.
Figura 3.3. Balances de materia y energía para Ec de 70, 80 y 90 %. Los números que aparecen al
lado de cada punto es la eficiencia neta calculada según la ecuación (3.2). El punto de alto F0 y Ec=70
% no se incluye en el análisis porque la eficiencia neta obtenida fue muy baja (25.8 %)
Concretamente, para la operación con bajo F0 se escogió un valor del ratio F0/FCO2 de 0.10
(correspondiente a 0.23-0.26 t CaCO3/t carbón total en la figura 3.3), mientras que para la
operación con alto F0 se tomó un valor de F0/FCO2 igual a 0.35 (correspondiente a 0.75-0.81 t CaCO3/t carbón total en la figura 3.3). Es importante destacar que, de acuerdo con los
resultados mostrados en la figura 3.3, valores de F0/FCO2<0.1 no serían adecuados ya que
implicarían un aumento brusco del aporte de carbón en el sistema, y el consiguiente incremento del tamaño de los equipos y del consumo eléctrico de la ASU y del compresor de CO2. De acuerdo con los resultados mostrados en la figura 3.3, el cociente Hcal/(Hcal+Hcomb) para las condiciones de mínimo tamaño del calcinador resultó ser del 50
% para un Ec del 70 %, del 53 % para un Ec del 80 % y del 57 % para un Ec del 90 %. Este
consumo mínimo de energía se corresponde con un valor del ratio F0/FCO2 de 0.15, 0.19 y
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 t C aC O3 /t c ar bó n total
Hcal/(Hcal+Hcomb)
Ec=70% Ec=80% Ec=90% 33.2 33.4 31.9 31.7 33.1 30.3 30.7 31.7
0.25 para Ec de 70, 80 y 90 %, respectivamente, que son intermedios a los valores de 0.10 y
0.35 escogidos como bajo y alto aporte de F0.
Para cualquiera de las condiciones de operación escogidas, los principales focos de energía disponibles en el sistema de carbonatación/calcinación eran:
(1) el gas concentrado en CO2 (~80 %vol.) a 950ºC a la salida del calcinador que se enfría
hasta 150ºC antes de ser dividido en el gas recirculado de nuevo al calcinador y el gas enviado CPU,
(2) la energía recuperada a 650ºC en el interior del carbonatador,
(3) el gas con bajo contenido en CO2 (<2 %vol.) a 650ºC a la salida del carbonatador, que
se enfría hasta 100-120ºC antes de ser expulsado a la atmósfera a través de la chimenea, (4) el gas concentrado en CO2 enviado a CPU, que se enfría hasta ~80ºC antes de ser
introducido al condensador de dicha unidad de purificación, y
(5) la purga de sólidos en el calcinador a 950ºC, que se enfría hasta 100-120ºC antes de ser desechada del proceso o empleada como materia prima en una planta de producción de cemento.
Sin embargo, la distribución de energía recuperada en los focos de (1) a (5) nombrados anteriormente es diferente para cada una de las condiciones de operación seleccionadas en el análisis, y va a determinar en cada caso la integración energética óptima con el nuevo ciclo de potencia supercrítico. El principal objetivo de la recuperación de energía de estas corrientes fue generar la máxima cantidad de vapor en condiciones supercríticas (a 600ºC y 280 bar), que se expande en la turbina de vapor del ciclo de potencia mostrado en la figura 3.2. En concreto, las distintas corrientes de energía a distintas temperaturas descritas en los puntos (1)-(5) anteriores, se aprovechan para aportar la energía en los precalentadores de agua, el economizador, el evaporador, el sobrecalentador y en la etapa de recalentamiento a presión intermedia de dicho ciclo de potencia. Comparando los flujos de energía disponibles en el proceso con la energía necesaria en los distintos equipos del nuevo ciclo de vapor, y teniendo en cuenta el rango de temperaturas de cada uno de estos flujos, se diseñó el sistema de intercambio de calor mostrado en la figura 3.4, que consiste básicamente en emplear la energía disponible en (1) para sobrecalentar el vapor en el nuevo ciclo de potencia supercrítico, y en evaporar el vapor gracias a la energía disponible en el
3.2. Análisis de procesos de carbonatación/calcinación aplicados a centrales de carbón 75 carbonatador. La energía disponible en (3), (4) y (5) se recuperó en los precalentadores de agua del ciclo de vapor, cuyas necesidades de energía son notablemente más bajas que en el evaporador, sobrecalentadores y en la etapa de recalentamiento del ciclo de vapor. El esquema de la figura 3.4 se aplicó a cada una de las condiciones de operación escogidas y se modificó cuando fue necesario para optimizar el aprovechamiento de los flujos de energía y generar en cada caso la máxima cantidad de vapor posible, prescindiendo del mayor número posible de extracciones de la turbina del ciclo de vapor.
Figura 3.4. Esquema de la integración energética de los flujos de energía disponibles en el sistema de captura de CO2 en el nuevo ciclo de potencia supercrítico
La eficiencia eléctrica neta del sistema (ηneta) se calculó en cada caso de acuerdo con la
expresión 3.2, que es el cociente entre la producción neta de electricidad y el aporte de energía total en el proceso, teniendo en cuenta el uso de la purga de sólidos como materia prima en una planta de producción de cemento:
0 2 F , cal cal comb aux CO . comp ASU ercritico sup existente CT neta H H H W W W W W (3.2)
WCT existente y Wsupercritico representan la producción eléctrica neta en el ciclo de vapor
subcrítico de la CT existente (350 MW) y en el nuevo ciclo de vapor supercrítico integrado con el sistema de captura de CO2, respectivamente. De esta producción eléctrica neta se
descuentan los consumos eléctricos provenientes de la unidad de separación de aire o ASU (WASU), del compresor de CO2 (Wcomp. CO2) y de los equipos auxiliares (Waux). La ASU y el
su consumo eléctrico se contabilizó en el cálculo de ηneta tomando los correspondientes
consumos específicos de la literatura (160 kWh/tO2 producida para la ASU y 100
kWh/tCO2 para el compresor de CO2) (Darde et al., 2009). Además, en el cálculo de ηneta se
consideró la posibilidad de sinergia con la industria del cemento, que se traduce en una reducción de la energía necesaria en el proceso (Hcomb+Hcal) equivalente a la energía
necesaria en la calcinación del CaO presente en la purga de sólidos que se utiliza en la producción del cemento (Hcal,F0).
Los valores de ηneta obtenidos así como los principales términos de la expresión 3.2 se
recogen en la tabla 3.2 para cada uno de los casos seleccionados. Se observa que aquellas condiciones de operación con bajos F0 maximizan la eficiencia neta del proceso en torno a
un valor de 33 %, mientras que los menores valores de ηneta (en torno al 30 %) se obtienen
trabajando con alto F0. A pesar de que bajos F0 implican los mayores consumos eléctricos
de la ASU (63-93 MW) y del compresor de CO2 (66-90 MW) con respecto a los casos con
el mismo Ec pero alto F0 o mínimo tamaño del calcinador, la alta circulación de sólidos en estos casos (9-17 kg/m2·s) favorece la recuperación de energía en el carbonatador, y por
tanto la producción de vapor en condiciones supercríticas que genera electricidad en la turbina de vapor (Wsupercritico). Por el contrario, aquellas condiciones de operación con el
menor consumo de ASU y del compresor de CO2 se corresponden con el menor tamaño
de calcinador, ya que el consumo de carbón en el calcinador en esos casos es mínimo. Por tanto, las condiciones de operación más adecuadas se corresponderían con un valor de F0
intermedio entre el correspondiente al tamaño mínimo del calcinador (~6 % de sólido purgado con respecto del total de material circulando desde el calcinador, es decir, F0/FCa~0.06) y el menor valor de F0 considerado en este trabajo (F0/FCO2=0.1, que se
corresponde con valores de purga en torno al 2 %). Estos valores de purga son coherentes con el valor máximo de purga calculado por Romeo y cols., en cuyo trabajo concluyeron que la máxima purga de material en el sistema de carbonatación/calcinación (empleando caliza o dolomita como precursores de CaO) debe de estar en torno al 5 % del material recirculado entre reactores (es decir, F0/FCa<0.05), con el objetivo de no incurrir en un
3.2. Análisis de procesos de carbonatación/calcinación aplicados a centrales de carbón 77 Tabla 3.2. Principales resultados obtenidos para las distintas condiciones de operación seleccionadas para valores de Ec del 70, 80 y 90%
F0/FCO2 FCa/FCO2 HHcal/(Hcal+ comb) (%)
Wsupercritico
(MW) (MW)WASU W(MW) comp. CO2 ηneta(3.2) (%) ηref(3.3) (%) (Hηnetacal,F0 (%) =0)
Ec=70 % 0.10 3.96 52.1 444.8 63.1 66.0 33.1 40.6 32.4 0.15 3.02 49.6 367.6 57.3 62.6 31.7 40.4 30.6 Ec=80 % 0.10 5.13 56.0 531.5 73.9 75.6 33.3 40.9 32.6 0.19 3.34 53.3 431.8 66.2 74.0 31.7 40.7 30.4 0.35 2.46 55.1 423.7 71.3 82.5 30.3 40.9 28.2 Ec=90 % 0.10 6.99 61.6 678.7 93.2 90.1 33.5 41.4 32.9 0.25 3.63 56.6 499.8 75.7 85.0 31.9 41.0 30.3 0.35 3.04 57.5 485.5 78.5 89.9 30.7 41.1 28.7
Con el objetivo de calcular la penalización energética en cada uno de los casos anteriores, se consideró una planta de referencia que se compone de la CT existente (cuyo rendimiento eléctrico era del 36 %) y de una nueva CT supercrítica cuya potencia térmica de entrada es la misma que la del calcinador (Hcal) y que tiene un rendimiento eléctrico del 45 %. Considerando esta definición, la eficiencia eléctrica de esta planta de referencia se calculó como:
36
H H
·45 H · H H H (%) calc comb calc calc comb comb ref (3.3)Empleando los resultados mostrados en la tabla 3.2, se evaluó la penalización energética en cada caso como la diferencia entre la eficiencia eléctrica de la planta de referencia sin captura de CO2 (ηref) y la eficiencia eléctrica neta incluyendo el sistema de captura de CO2
(ηneta). Los menores valores de penalización energética se encuentran en el rango de 7.5 a 8
puntos porcentuales obtenidos para los casos con menor F0, correspondiendo el valor más
alto de penalización al caso con mayor Ec debido al mayor consumo eléctrico del
compresor de CO2 y de la ASU. Para los casos de menor tamaño del calcinador, la penalización energética obtenida asciende ligeramente hasta los 9 puntos porcentuales para cualquiera de los valores de Ec elegidos. En el caso de que no exista la posibilidad de
sinergia con la industria del cemento (y Hcal,F0=0 en la expresión 3.2), la penalización energética para los casos óptimos de menor F0 aumentaría ligeramente hasta
aproximadamente 8.5 puntos porcentuales (ver última columna de la tabla 3.2), debido al efecto positivo de dicha sinergia en el consumo de energía total en el proceso. No obstante, dado que la integración de la nueva CT no afecta al funcionamiento de la CT existente, el
trabajo desarrollado podría haberse aplicado igualmente a una CT existente supercrítica, de mayor rendimiento eléctrico que la considerada en este trabajo. En ese caso, los valores de ηneta y ηref mostrados en este trabajo serían algo mayores, aunque los valores de penalización
energética serían iguales a los mostrados en este trabajo.
En cualquier caso, si se comparan los resultados obtenidos en este trabajo con los valores de penalización energética incluidos en la sección 1.2.1.1 de esta Tesis Doctoral para el sistema comercial de captura de CO2 mediante absorción química con aminas aplicado a
una CT de carbón, se comprueba que este sistema de carbonatación/calcinación de CaO permite obtener penalizaciones energéticas entre 4 y 7 puntos por debajo del sistema comercial para el caso de una CT existente subcrítica de carbón.