Evaluación exergética de una tecnología para la captura y aprovechamiento del CO2 en una central de ciclo combinado

MIRIAM NAVARRETE PROCOPIO

Resumen Se requieren investigar nuevas alternativas para reducir las emisiones de CO2 de los gases de combusti on en las centrales el ectricas, se necesitan nuevos trabajos que solucionen la captura y secuestro geol ogico del CO2. El proceso m as atractivo para mitigar este problema es el aprovechamiento del CO2 dentro de la planta que lo produce. El objetivo de este documento es el modelado, dise~no de proceso, optimizaci on y simulaci on de un proceso de Captura y Aprovechamiento de CO2 (CACO2) integrada a la Central el ectrica de Ciclo Combinado (CCC) de Tula Hidalgo, la tecnolog a propuesta es un novedoso sistema de secuestro qu mico de CO2 para la producci on de CH4. Los principales componentes del sistema son: la Columna empacada de Absorci on (CA), el Recuperador de Calor (RC2), la Columna de Desorci on y el Reactor de Lecho Empacado (RLE). Se estudiaron 9 par ametros importantes del proceso resultado de los an alisis de Grados de Libertad (GL) para cada unidad del proceso, incluida la concentraci on de Monoetanolamina (MEA) (%MEA), el porcentaje de remoci on de CO2 en el absorbedor y desorbedor (%PRCA; %PRCD) , el porcentaje de soluci on absorbente en exceso (%SE), la temperatura de la soluci on (T6), el porcentaje de vapor en exceso (%SE), la temperatura inicial de reacci on (TR) y el porcentaje de conversi on de CO2 en la reacci on de metanaci on. Cada uno de estos par ametros fueron optimizados para lograr dos objetivos: el caso 1 fue minimizar las dimensiones de las principales unidades del proceso: la altura empacada en las columnas de absorci on y desorci on (ZCA,ZCD (m)) y la cantidad de catalizador en el RLE (Wcat, (kg)), variable directamente relacionada con el volumen del reactor, el caso 2 fue optimizar estos par ametros para minimizar la cantidad de exerg a destruida en cada unidad del proceso (ExD,(MJ=kg CO2)). Las funciones objetivo para cada optimizaci on fueron aproximadas mediante modelos de redes neuronales arti ciales de retropropagaci on con tres niveles, utilizando tansig como funci on de transferencia entre las capas de entrada y oculta y como entranamiento la funci on de Levenberg-Marquardt. El modelo de la unidad de absorci on se valid o contra los resultados de las pruebas de la planta piloto del laboratorio de captura del INEEL y se ver co mediante un simulador comercial (ASPEN PLUS) teniendo en los resultados una i discrepancia m axima de 1:7 %. Los valores de las variables de dise~no alcanzadas al simular las variables del proceso con sus valores optimos fueron: Columna de absorci on con 4:89 m de di ametro y 7:37 m de altura empacada, columna de desorci on con 4:69 m y 7:59 m respectivamente, 87.30 kg de catalizador para el RLE correspondiente a un reactor de 1:04 m de longitud y un area de transferencia de calor para el recuperador de calor de 179:33 m2. Con estos par ametros optimos se logr o disminuir la exerg a destruida global de 27.24 MJ=kgCO2 a 19.32 MJ=kgCO2 de las condiciones del caso 1 al caso 2 respectivamente. A trav es de la reacci on de metanizaci on exot ermica (CO2 + 4H2 ! CH4 + 2H2O + Calor), se produce metano con un rendimiento de conversi on del 82:47% a una temperatura inicial de 375:25oC, ahorrando en un 6.11% la compra de combustible para el proceso de combusti on en la CCC por unidad de tren de CACO2. ii

Abstract It is necessary to investigate new alternatives to reduce the CO2 emissions of the combustion gases in the power plants, new works are needed that solve the capture and geological sequestration of CO2. The most attractive process to mitigate this problem is the use of CO2 inside the plant that produces it. The objective of this document is the modeling, process design, optimization and simulation of a CO2 Capture and Use process (CACO2) integrated to the Combined Cycle Power Plant (CCC) of Tula Hidalgo, the proposed technology is a novel system of chemical sequestration of CO2 for the production of CH4. The main components of the system are: the Packed Absorption Column (CA), the Heat Recuperator (RC2), the Desorption Column and the Packed Bed Reactor (RLE). We studied 9 process parameters resulting from the Degrees of Freedom (GL) analysis for each main unit, including the concentration of Monoethanolamine (MEA) (%MEA), the percentage of CO2 removal in absorber and stripping (%PRCA; %PRCD) , the percentage of excess absorbent solution (%SE), the solution temperature (T6), the percentage of excess steam (%SE), the initial reaction temperature (TR) and the percentage of CO2 conversion in the methanation reaction. Each of these parameters were optimized to achieve two targets: case 1 was to minimize the dimensions of the main units of the process: the height packed in the absorption and desorption columns (ZCA,ZCD (m)) and the amount of catalyst in the reactor RLE (Wcat, (kg)), it is related with the size reactor. case 2 was to optimize the same parameters to minimize the amount of exergy destroyed in each unit of the process (ExD,(MJ=kg CO2)). The objective functions for each optimization were approximated by models of arti cial neural networks of backpropagation with three levels, using tansig as a transfer function between the input and hidden layers and Levenberg-Marquardt was the training function. The model of the absorption unit was validated with tests results of the pilot plant of the INEEL capture laboratory and was veri ed by a commercial simulator (ASPEN PLUS) having a maximum discrepancy of 1:7% in the results. The values of the design variables achieved by simulating the process parameters with their optimal values were: packed height and diameter in the absorption iii column of 7:37 m and 4:89 m respectively, 7:59 m and 4:69 m at the stripping, 87.30 kg of catalyst for the RLE which is equivalent of 1:04 m long in the reactor and the last parameter calculated was the heat transfer area for the heat recovery, which was 179:33 m2. With these optimal parameters it was possible to reduce the overall destroyed exergy from 27.24 MJ=kgCO2 to 19.32 MJ=kgCO2 from the conditions of case 1 to case 2 respectively. The exothermic methanization reaction (CO2 + 4H2 ! CH4 + 2H2O + Calor), methane is produced with a conversion e ciency of 82:47% at an initial temperature of 375:25oC, saving in a 6.11 % the purchase of fuel for the combustion process at CCC per unit of CACO2 train. iv

Tipo de documento: Tesis de doctorado

Formato: Adobe PDF

Audiencia: Investigadores

Idioma: Español

Área de conocimiento: INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Campo disciplinar: CIENCIAS TECNOLÓGICAS

Nivel de acceso: Acceso Abierto