ES2927597T3 - Proceso de captura de CO2 con regeneración electrolítica - Google Patents

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Abstract

Un método para depurar un gas, tal como gas de combustión o gas de escape, que comprende dióxido de carbono para agotar el gas de dióxido de carbono (CO2), comprendiendo el método los pasos de:- depurar el gas en un depurador (210) con una primera solución alcalina , líquido de lavado acuoso para disolver dióxido de carbono (CO2) como carbonato de hidrógeno (HCO3<->) y/o como carbonato (CO3<2->) en el primer líquido de lavado acuoso alcalino, proporcionando así un primer líquido de lavado acuoso agotado que comprende carbonato de hidrógeno (HCO3<->) y/o carbonato (CO3<2->), teniendo el primer líquido de lavado acuoso agotado un pH de aproximadamente 7 a aproximadamente 9; - alimentar el primer líquido de lavado acuoso agotado a una cámara de ánodo de un celda electrolítica (310) que comprende la cámara de ánodo (313) y una cámara de cátodo (312) separadas por una membrana (311); - regenerar el primer líquido de lavado acuoso gastado en la celda electrolítica (310) por electrólisis, aumentando la electrólisis el pH del primer líquido de lavado acuoso gastado en la cámara del cátodo (312), la electrólisis agota aún más el primer líquido de lavado acuoso gastado de carbonato de hidrógeno (HCO3<->) y de carbonato (CO3<2->) en la cámara de ánodo (313) al disminuir el pH, comprendiendo además la regeneración generar hidrógeno gaseoso en la cámara catódica (312) y una mezcla gaseosa de oxígeno y dióxido de carbono (CO2) en la cámara anódica (313) por electrólisis; y - retirar líquido de lavado acuoso alcalino regenerado de la cámara catódica (312) y recircularlo al lavador (210); en el que: - el hidrógeno gaseoso se retira de la cámara catódica (312); y- la mezcla gaseosa de oxígeno y dióxido de carbono se retira de la cámara anódica (313). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Proceso de captura de CO2 con regeneración electrolítica
Campo técnico
La presente invención se refiere a un método para depurar un gas, tal como el gas de combustión que contiene dióxido de carbono (CO2), para empobrecer el gas en dióxido de carbono, que comprende regenerar el líquido de depuración acuoso usado.
Antecedentes
El dióxido de carbono (CO2) es un gas que al ser emitido a la atmósfera es perjudicial para el clima ya que contribuye al efecto invernadero y al aumento de la temperatura global. Por ejemplo, se produce como un subproducto cuando se quema un combustible fósil, p. ej., carbón, gasolina o diésel. Las centrales eléctricas de carbón y gas representan una gran parte de las emisiones de CO2. Reducir las emisiones de dióxido de carbono es un objetivo para muchos sectores.
Los gases emitidos resultantes de la combustión y que comprenden CO2 se denominan normalmente gases de combustión o gases de escape. El empobrecimiento de tales gases emitidos de CO2 bajando el contenido de CO2 en los gases emitidos, se puede hacer mediante la denominada depuración de los gases, es decir, eliminar el CO2 de la corriente de gas absorbiendo/disolviendo el CO2 en un líquido. La principal aplicación de la depuración de CO2 es para la eliminación de CO2 de los gases de escape (es decir, los gases de combustión) de las centrales eléctricas alimentadas con carbón y gas, aguas abajo de una central eléctrica, antes de que el gas sea liberado a la atmósfera. Al usar tal proceso, sería posible reducir significativamente las emisiones de CO2 implicadas en la generación de energía quemando carbón. En la industria química, la depuración de CO2 se usa para separar el CO2 del gas natural, para su uso en, por ejemplo, el sector de bebidas o fertilizantes.
En un sistema de depuración de CO2, una solución de depuración absorbe el dióxido de carbono de los gases de combustión, a bajas temperaturas, en un absorbedor. Lo más común es la depuración de los gases de combustión utilizando un medio de absorción química, tal como un líquido acuoso alcalino. En un líquido acuoso alcalino, el CO2 se disolverá y se hidrolizará parcialmente en ácido carbónico (H2CO3). Dado el pH alcalino, el ácido carbónico formado (H2CO3) se convertirá en carbonato de hidrógeno (HCO3-) y/o carbonato (CO32-), como se describe a continuación.
CO2 + H2O => H2CO3
H2CO3OH- => HCO3- H2O
HCO3-+OH- => CO32- H2O
La tecnología que se está desarrollando principalmente para este proceso implica el uso de aminas acuosas, p. ej., monoetanolamina acuosa, como disolvente de absorción. La depuración de amina se ha utilizado para separar el dióxido de carbono (CO2) a partir de gas natural e hidrógeno desde 1930. Sin embargo, aún no se usa a mayor escala para captura de CO2 de las centrales eléctricas de carbón. El proceso consume energía y la tecnología no se ha implementado a gran escala debido a los costes de capital para instalar la instalación y los costes operativos. Los depuradores que utilizan monoetanolamina acuosa como disolvente de absorción, por ejemplo, utilizan grandes cantidades de calor para la regeneración del disolvente utilizado en el depurador. Actualmente, no existen otras tecnologías aplicables a la industria que proporcionen soluciones oportunas o de eficiencia energética para las emisiones de CO2 de las centrales eléctricas de carbón convencionales.
El documento EP 3524337 se refiere a un sistema para la eliminación de dióxido de carbono de una atmósfera, más particularmente mediante la eliminación de dióxido de carbono de una atmósfera mediante electrólisis del agua, que produce hidrógeno.
Otras áreas clave en el trabajo de desarrollo del proceso de captura de carbono incluyen la integración y optimización de procesos para aplicaciones en centrales eléctricas a gran escala.
Existe una necesidad imperiosa de sistemas de depuración mejorados que preferiblemente requieran menos calor para la captura del CO2.
Sumario
Por consiguiente, de acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un método para depurar un gas que comprende dióxido de carbono (CO2) para empobrecer el gas en dióxido de carbono. El gas que comprende dióxido de carbono (CO2) normalmente puede ser el resultado de la combustión, tal como gases de combustión o gases de escape. Sin embargo, también otros gases que comprenden dióxido de carbono (CO2) pueden ser depurados por el presente método. Un ejemplo sería capturar CO2 de una central eléctrica que genera calor y electricidad a partir de biomasa.
El método comprende las etapas de depurar el gas en un depurador con un primer líquido de depuración acuoso alcalino para disolver el dióxido de carbono (CO2) como carbonato de hidrógeno (HCO3-) y/o como carbonato (CO32-) en el primer líquido de depuración acuoso alcalino, proporcionando así un primer líquido de depuración acuoso usado que comprende carbonato de hidrógeno (HCO3-) y/o carbonato (CO32-). El primer líquido de depuración acuoso usado tiene un pH de aproximadamente 7 a aproximadamente 9, para optimizar la regeneración posterior.
El método comprende además la etapa de alimentar el primer líquido de depuración acuoso usado a una cámara anódica de una celda electrolítica con un ánodo y un cátodo. El ánodo y el cátodo de la celda electrolítica están separados por una membrana para formar la cámara anódica y la cámara catódica. La membrana es permeable a los metales alcalinos, tales como litio, sodio y potasio, pero no tiene o tiene baja permeabilidad al carbonato de hidrógeno (HCO3-) y/o al carbonato (CO32-). Normalmente, la membrana es permeable solo a los cationes. La membrana puede ser una membrana de intercambio catiónico. En la celda electrolítica, el primer líquido de depuración acuoso usado se regenera por electrólisis. Al regenerar el líquido de depuración acuoso usado, se pueden usar varias celdas electrolíticas conectadas en paralelo. Antes de ser alimentado a la cámara anódica, el líquido de depuración acuoso usado se puede filtrar para eliminar la materia en forma de partículas.
En la electrólisis, el agua se convierte en oxígeno e iones hidronio (H3O+) en el ánodo, mientras que el agua se convierte en iones de hidrógeno e hidróxido (OH-) en el cátodo. Por lo tanto, la electrólisis aumenta el pH del primer líquido de depuración acuoso usado en la cámara catódica y empobrece el primer líquido de depuración acuoso usado en carbonato de hidrógeno (HCO3-) y carbonato (CO32-) en la cámara anódica, disminuyendo el pH para cambiar el equilibrio hacia el ácido carbónico, a su vez se desplazó hacia el dióxido de carbono. La regeneración comprende además generar hidrógeno gaseoso en la cámara catódica y una mezcla gaseosa de oxígeno y dióxido de carbono en la cámara anódica por electrólisis. Las reacciones químicas y la descripción del funcionamiento de los procesos se describen con más detalle en la Descripción detallada del presente documento más adelante.
El método comprende además la etapa de extraer el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado de la cámara catódica y recircularlo al depurador.
Una diferencia clave con respecto a la configuración de los depuradores de amina disponibles en el mercado es que el líquido de depuración en el presente método se regenera por electroquímica, mientras que los depuradores de la técnica suelen utilizar grandes cantidades de calor para la regeneración del líquido de depuración utilizado en el depurador.
De acuerdo con el presente método, al regenerar el líquido de depuración, se aumenta su pH. De forma adicional, la regeneración, como ya se ha explicado, también genera dióxido de carbono e hidrógeno, que pueden utilizarse aguas abajo para la síntesis de compuestos orgánicos, tales como metanol, añadiendo así más valor al proceso. El proceso es ideal para procesos como los procesos P2X posteriores.
El hidrógeno gaseoso se extrae de la cámara catódica y la mezcla gaseosa de oxígeno y dióxido de carbono se extrae de la cámara anódica.
La extracción de hidrógeno, oxígeno y dióxido de carbono del proceso de regeneración es ventajosa, ya que el hidrógeno y el oxígeno se pueden utilizar para generar electricidad, p. ej., por una pila de combustible, para operar el proceso en parte. De forma adicional, el hidrógeno y el dióxido de carbono (CO2) se pueden utilizar para la síntesis de compuestos orgánicos, p. ej., metanol, compensando así el coste de ejecutar el proceso.
La reacción de captura de carbono en la etapa de depuración tiene lugar automáticamente. El funcionamiento del depurador es, por lo tanto, un proceso automático y no requiere energía aparte de la necesaria para hacer circular los líquidos. El proceso de regeneración que tiene lugar en las cámaras catódicas y ánodo de la celda electrolítica son reacciones electroquímicas, que inherentemente requieren energía eléctrica. El proceso electroquímico regenera el disolvente, produce hidrógeno en el cátodo y una mezcla de dióxido de carbono (CO2) y oxígeno en el ánodo.
El consumo de energía real dependerá de la implementación técnica del proceso. En general, el proceso requiere una gran cantidad de energía eléctrica en lugar de calor. Esto es positivo, ya que la electrificación de la regeneración en los procesos de captura de carbono es muy deseada. De forma adicional, parte de la energía puede recuperarse como calor para la calefacción urbana. La regeneración de líquidos de depuración basados en amina reduce la eficiencia general de una central eléctrica ya que parte del calor que se genera, en lugar de distribuirse, debe utilizarse para regenerar el líquido de depuración. La regeneración de líquidos de depuración alcalinos que comprenden hidróxidos metálicos disueltos puede ser energía eléctrica regenerada, por lo que no afecta la eficiencia general de una central eléctrica.
Para disolver el dióxido de carbono y cambiar el equilibrio hacia el carbonato de hidrógeno (HCO3-) y el carbonato (CO32-), el primer líquido de depuración acuoso debe ser alcalino, es decir, tener un pH superior a 7, tal como 8 o superior.
De esta manera, el primer líquido de depuración acuoso alcalino puede comprender un hidróxido metálico. De acuerdo con una realización del método, el primer líquido de depuración acuoso alcalino comprende uno o más de hidróxido de potasio disuelto (KOH), hidróxido de sodio disuelto (NaOH) e hidróxido de litio disuelto (LiOH). El primer líquido de depuración acuoso alcalino puede comprender hidróxido de potasio (KOH). Dada su alta solubilidad en agua, el hidróxido de potasio (KOH) es un hidróxido metálico preferido.
En la cámara anódica, se forma una mezcla gaseosa de oxígeno y dióxido de carbono. Por tanto, el método puede comprender además una etapa de separación de esta mezcla gaseosa de oxígeno y dióxido de carbono en una primera corriente, rica en oxígeno y/o empobrecida en dióxido de carbono, y una segunda corriente, rica en dióxido de carbono y/o empobrecida en oxígeno. La mezcla gaseosa de oxígeno y dióxido de carbono puede comprimirse para permitir la separación del dióxido de carbono líquido (CO2) del oxígeno gaseoso (O2). De acuerdo con una realización del método, el dióxido de carbono (CO2) y/o el oxígeno (O2) extraído de la cámara anódica se comprime en dióxido de carbono líquido y/u oxígeno comprimido (O2).
De forma adicional, el hidrógeno formado en la cámara catódica se extrae. El hidrógeno extraído de la cámara catódica se puede utilizar como combustible para proporcionar electricidad, de manera interna o externa. El hidrógeno y el oxígeno pueden usarse para alimentar una celda de combustible. La electricidad formada se puede usar opcionalmente para hacer funcionar la celda electrolítica que regenera el líquido de depuración acuoso usado. Esto es ventajoso ya que compensa, al menos en parte, el consumo de electricidad del funcionamiento del proceso. De forma adicional, también puede ser de interés vender hidrógeno en el mercado libre.
La cámara anódica normalmente no se opera de tal manera que todo el carbonato de hidrógeno (HCO3-) se convierta en dióxido de carbono. Por lo tanto, el método puede comprender además extraer una corriente acuosa que todavía contiene algo de carbonato de hidrógeno (HCO3-) de la cámara anódica. Esta corriente puede concentrarse, por ejemplo por ósmosis inversa. La corriente concentrada resultante que comprende carbonato de hidrógeno (HCO3-) puede recircularse a la celda electrolítica, facilitando así una mayor eliminación de carbonato de hidrógeno (HCO3-).
Normalmente, el gas que comprende dióxido de carbono y el líquido de depuración se alimentan en contracorriente al depurador para proporcionar una eliminación eficiente del dióxido de carbono.
De acuerdo con una realización del método, la depuración del gas que comprende dióxido de carbono se realiza en al menos una primera etapa y en una segunda etapa. Esto proporciona una eliminación eficiente del dióxido de carbono, sin dejar de optimizar el pH del líquido de depuración usado a regenerar. La depuración se puede realizar en más de dos etapas.
En la depuración del gas que comprende dióxido de carbono en una primera etapa y en una segunda etapa, el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado, extraído de la cámara catódica, se alimenta como un segundo líquido de depuración acuoso alcalino a la segunda etapa de depuración aguas abajo de la primera etapa de depuración. Un segundo líquido de depuración usado, resultante de la segunda etapa de depuración, se alimenta, al menos en parte, como el primer líquido de depuración acuoso alcalino a la primera etapa de depuración aguas arriba de la segunda etapa de depuración.
Al depurar el gas que comprende dióxido de carbono en varias etapas, el líquido de depuración usado, como resultado de una etapa posterior de depuración, puede alimentar, al menos en parte, como el líquido de depuración acuoso alcalino a una etapa anterior de la depuración. De forma adicional, el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado, extraído de la cámara catódica, puede alimentarse como un líquido de depuración acuoso a la última etapa de depuración aguas abajo. Además, el líquido de depuración usado de la primera etapa de depuración puede alimentarse a la celda electrolítica para ser regenerado.
En la depuración del gas que comprende dióxido de carbono en una primera etapa y en una segunda etapa, el pH del segundo líquido de depuración acuoso alcalino es preferiblemente más alto que el pH del primer líquido de depuración acuoso alcalino para eliminar el dióxido de carbono de manera eficiente. El pH del segundo líquido de depuración acuoso alcalino puede estar en el intervalo de 12 a 14, tal como aproximadamente 13,5. De forma adicional, el pH del primer líquido de depuración acuoso alcalino puede estar en el intervalo de 8 a 10, tal como aproximadamente 9.
Al depurar el gas que comprende dióxido de carbono en varias etapas, el pH del líquido de depuración acuoso será más bajo en las etapas aguas arriba que en las etapas aguas abajo.
En realizaciones de acuerdo con las cuales la depuración del gas que comprende dióxido de carbono se realiza en una primera etapa y en una segunda etapa, el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado extraído de la cámara catódica se puede mezclar con una parte del segundo líquido de depuración usado para proporcionar el segundo líquido de depuración acuoso alcalino. Al mezclar estos líquidos, el pH del segundo líquido de depuración acuoso alcalino es más bajo que el pH del líquido de depuración acuoso alcalino regenerado extraído de la cámara catódica. El pH del segundo líquido de depuración acuoso alcalino se puede ajustar cambiando la proporción de líquido de depuración acuoso alcalino regenerado extraído de la cámara catódica al segundo líquido de depuración usado. De forma adicional, una parte del segundo líquido de depuración usado puede mezclarse con una parte del primer líquido de depuración usado, resultantes de la primera etapa de depuración, para proporcionar el primer líquido de depuración acuoso alcalino. Al mezclar estos líquidos, el pH del primer líquido de depuración acuoso alcalino será más alto que el pH del primer líquido de depuración usado, y el primer líquido de depuración usado puede reciclarse parcialmente.
Para optimizar aún más el pH dentro de la celda electrolítica, parte del líquido de depuración acuoso alcalino regenerado puede recircularse a la cámara catódica. El líquido de depuración acuoso alcalino regenerado se puede diluir con una corriente acuosa antes de recircularlo a la cámara catódica. Esta corriente acuosa se puede proporcionar extrayendo una corriente acuosa que todavía contiene algo de carbonato de hidrógeno (HCO3-) de la cámara anódica y concentrándola, tal como por ósmosis inversa, para proporcionar una corriente acuosa empobrecida en carbonato de hidrógeno (HCO3-) y una corriente concentrada que comprende carbonato de hidrógeno (HCO3-).
De acuerdo con la presente divulgación, se proporciona de manera correspondiente un sistema para depurar un gas, tal como gas de combustión o gas de escape, que comprende dióxido de carbono para empobrecer el gas de combustión en dióxido de carbono. El sistema comprende una disposición de depuración para depurar un gas con un líquido de depuración acuoso alcalino para disolver el dióxido de carbono como carbonato de hidrógeno (HCO3-) y/o como carbonato (CO32-) en el líquido de depuración acuoso alcalino. El sistema comprende además una disposición de regeneración para regenerar el líquido de depuración acuoso usado por electrólisis.
La disposición de depuración comprende un depurador. El depurador tiene una entrada para el gas a depurar y una salida para un gas empobrecido en dióxido de carbono. El depurador tiene además una entrada para recibir el líquido de depuración acuoso alcalino y una salida para extraer el líquido de depuración acuoso usado. Preferiblemente, las entradas y salidas están dispuestas para permitir la depuración a contracorriente.
La disposición de regeneración comprende una celda electrolítica, o varias celdas electrolíticas conectadas en paralelo. La celda electrolítica comprende una cámara anódica y una cámara catódica separadas por una membrana. La membrana es permeable a los metales alcalinos, tales como litio, sodio y potasio, pero no tiene o tiene baja permeabilidad al carbonato de hidrógeno (HCO3-) y/o carbonato (CO32). Normalmente, la membrana es permeable solo a los cationes. La membrana puede ser una membrana de intercambio catiónico. La cámara anódica comprende una entrada de ánodo para recibir el líquido de depuración acuoso usado de la disposición de depuración y una salida de ánodo para extraer oxígeno y dióxido de carbono. La disposición de regeneración puede comprender además un filtro para filtrar el líquido de depuración acuoso usado para alimentar la entrada del ánodo de la cámara anódica. De forma adicional, la cámara catódica comprende una salida para extraer hidrógeno y líquido de depuración acuoso regenerado. La salida para el líquido de depuración acuoso usado del depurador está en comunicación de flujo con la entrada para el líquido de depuración acuoso usado de la cámara anódica. De forma análoga, la salida para el líquido de depuración acuoso regenerado de la cámara catódica está en comunicación de flujo con la entrada para el líquido de depuración acuoso alcalino del depurador.
Una ventaja de este sistema es que comprende tanto una disposición de depuración como una disposición de regeneración, donde la salida de la disposición de depuración se puede regenerar por electrólisis y reutilizarse en la disposición de depuración, habilitando y optimizando un sistema completo y energéticamente eficiente y rentable de empobrecimiento del gas dióxido de carbono, impulsado por energía eléctrica.
De acuerdo con una realización, la disposición de depuración comprende un primer y un segundo tanques de almacenamiento intermedio para el líquido de depuración acuoso alcalino. De forma adicional, el depurador comprende al menos un primer y un segundo absorbedores. Puede comprender más de dos absorbedores. De forma adicional, se pueden utilizar varios depuradores. Se pueden conectar varios depuradores en serie o en paralelo.
El primer absorbedor comprende una entrada para recibir el líquido de depuración acuoso alcalino del primer tanque de almacenamiento intermedio. De forma adicional, el primer absorbedor comprende una salida para extraer el líquido de depuración acuoso usado del primer absorbedor para alimentarlo a una entrada del primer tanque de almacenamiento intermedio. De esta manera, el líquido de depuración acuoso alcalino puede circular entre el primer absorbedor y el primer tanque de almacenamiento intermedio. Si bien se prefiere la presencia del primer tanque de almacenamiento intermedio, se puede prescindir él de acuerdo con algunas realizaciones y el líquido de depuración acuoso alcalino puede recircularse al primer absorbedor mediante un primer sistema de tuberías que conecta la entrada y la salida del primer absorbedor. De forma adicional, el primer tanque de almacenamiento intermedio está en comunicación de flujo con la entrada para el líquido de depuración acuoso usado de la cámara anódica.
El segundo absorbedor comprende una entrada para recibir el líquido de depuración acuoso alcalino del segundo tanque de almacenamiento intermedio. De forma adicional, el segundo absorbedor comprende una salida para extraer el líquido de depuración acuoso usado del segundo absorbedor para alimentarlo a una entrada del segundo tanque de almacenamiento intermedio. De esta manera, el líquido de depuración acuoso alcalino puede circular entre el segundo absorbedor y el segundo tanque de almacenamiento intermedio. Si bien se prefiere la presencia del segundo tanque de almacenamiento intermedio, se puede prescindir él de acuerdo con algunas realizaciones y el líquido de depuración acuoso alcalino puede recircularse al segundo absorbedor mediante un primer sistema de tuberías que conecta la entrada y la salida del segundo absorbedor. De forma adicional, la salida para el líquido de depuración acuoso regenerado de la cámara catódica está en comunicación de flujo con la entrada del segundo absorbedor. Además, la salida del segundo absorbedor está en comunicación de flujo con la entrada del primer absorbedor.
Si el sistema de depuración comprende más de dos absorbedores, estos pueden disponerse de manera que la salida de un absorbedor aguas abajo esté en comunicación de flujo con la entrada de un absorbedor aguas arriba. De forma adicional, una entrada del último absorbedor (es decir, el absorbedor que está más aguas abajo cerca de una salida para el gas depurado) está en comunicación de flujo con la salida para el líquido de depuración acuoso regenerado de la cámara catódica. Además, una salida del primer absorbedor (es decir, el que está más aguas arriba cerca de una entrada para el gas a depurar) está en comunicación de flujo con una entrada para el líquido de depuración acuoso usado de la cámara anódica. Normalmente, el líquido de depuración acuoso alcalino puede recircularse a cada absorbedor por medio de un sistema de tuberías que conecta la entrada y la salida del absorbedor respectivo. Similar al primer y segundo absorbedores, cualquier absorbedor adicional puede estar en comunicación de flujo con un tanque de almacenamiento intermedio correspondiente.
Para que el ajuste de los flujos sea independiente, la disposición de depuración puede comprender además un tercer tanque de almacenamiento intermedio para el líquido de depuración acuoso regenerado. El tercer tanque de almacenamiento intermedio está en comunicación de flujo con la salida para el líquido de depuración acuoso regenerado de la cámara catódica y con la entrada del segundo absorbedor. De forma adicional, la disposición de depuración puede comprender un cuarto tanque de almacenamiento intermedio para el líquido de depuración acuoso usado. El cuarto tanque de almacenamiento intermedio está en comunicación de flujo con el primer tanque de almacenamiento intermedio y con una entrada para el líquido de depuración acuoso usado de la cámara anódica.
Este diseño permite reutilizar el líquido de depuración acuoso regenerado de la cámara catódica en el proceso de depuración y permite optimizar el pH de los líquidos antes de que se reciclen en el depurador.
La disposición de regeneración puede comprender además una primera unidad compresora para comprimir el hidrógeno extraído de la cámara catódica y/o una segunda unidad compresora para comprimir oxígeno y dióxido de carbono extraídos de la cámara anódica. De forma adicional, la disposición de regeneración puede comprender un primer separador de gas para separar el oxígeno y el dióxido de carbono extraídos de la cámara anódica entre sí. Normalmente, el primer separador de gas está dispuesto aguas abajo de la segunda unidad compresora para separar el dióxido de carbono líquido del oxígeno gaseoso.
De esta manera, el sistema puede proporcionar hidrógeno comprimido, oxígeno comprimido y dióxido de carbono, así como oxígeno y dióxido de carbono separados, para su explotación comercial.
De acuerdo con una realización, la disposición de regeneración comprende además un concentrador, tal como un filtro, para concentrar una corriente acuosa que comprende algo de carbonato de hidrógeno (HCO3-) extraído de la cámara anódica para proporcionar una corriente concentrada que comprende carbonato de hidrógeno (HCO3-) y una corriente acuosa empobrecida en carbonato de hidrógeno (HCO3-). El concentrador está dispuesto en comunicación de flujo, normalmente por tuberías, con la celda electrolítica de modo que:
- la corriente acuosa que comprende algo de carbonato de hidrógeno (HCO3-) puede extraerse de la cámara anódica y alimentarse al concentrador;
- la corriente concentrada que comprende carbonato de hidrógeno (HCO3-) puede extraerse del concentrador y alimentarse a la cámara anódica; y/o
- la corriente acuosa empobrecida en carbonato de hidrógeno (HCO3-) puede extraerse del concentrador y alimentarse a la cámara catódica.
La disposición de regeneración puede comprender además un primer tanque de compensación para el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado. El primer compensador puede disponerse en comunicación de flujo, normalmente por tuberías, con la celda electrolítica y puede tener:
- una primera entrada para recibir el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado de la cámara catódica; - una segunda entrada para recibir la corriente acuosa empobrecida en carbonato de hidrógeno (HCO3") extraída del concentrador; y/o
- una salida para alimentar el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado diluido a la cámara catódica de la celda electrolítica.
De forma adicional, la disposición de regeneración puede comprender un segundo tanque de compensación para el líquido de depuración acuoso usado. El segundo compensador puede disponerse en comunicación de flujo, normalmente por tuberías, con la celda electrolítica y puede tener:
- una primera entrada para recibir líquido de depuración acuoso usado del dispositivo de depuración;
- una segunda entrada para recibir la corriente concentrada que comprende carbonato de hidrógeno (HCO3-) del concentrador; y/o
- una salida para alimentar el líquido de depuración acuoso usado a la cámara anódica de la celda electrolítica.
En la depuración de gases de combustión en una central eléctrica, la depuración y la regeneración normalmente se ejecutan de forma continua en la planta. Sin embargo, es posible ejecutar la depuración por separado de la regeneración. A modo de ejemplo, el depurador puede operarse en un vehículo, mientras que la regeneración tiene lugar en una unidad central, que puede servir a varios vehículos. El vehículo puede estar provisto de una disposición de depuración que comprende un tercer tanque de almacenamiento intermedio para el líquido de depuración acuoso regenerado y un cuarto tanque de almacenamiento intermedio para el líquido de depuración acuoso usado. Al dotar al vehículo de una disposición de depuración de este tipo, se puede ejecutar independientemente de la redisposición hasta que el tercer tanque de almacenamiento intermedio se vacíe y/o el cuarto tanque de almacenamiento intermedio se llene.
De acuerdo con un ejemplo de la presente divulgación, se proporciona un ejemplo de una disposición de depuración para depurar un gas, tal como los gases de combustión, que comprende dióxido de carbono para empobrecer el gas de combustión en dióxido de carbono. Como ya se ha descrito anteriormente, la disposición de depuración comprende un depurador que tiene una entrada para el gas a depurar y una salida para el gas empobrecido en dióxido de carbono. El depurador tiene además una entrada para recibir el líquido de depuración acuoso alcalino y una salida para extraer el líquido de depuración acuoso usado. La disposición de depuración comprende un primer y un segundo tanques de almacenamiento intermedio para el líquido de depuración acuoso alcalino, y el depurador comprende al menos un primer y un segundo absorbedores. El primer absorbedor comprende una entrada para recibir el líquido de depuración acuoso alcalino del primer tanque de almacenamiento intermedio y una salida para extraer el líquido de depuración acuoso usado y alimentarlo a una entrada del primer tanque de almacenamiento intermedio. De esta manera, el líquido de depuración acuoso alcalino puede circular entre el primer absorbedor y el primer tanque de almacenamiento intermedio. Si bien se prefiere la presencia del primer tanque de almacenamiento intermedio, se puede prescindir él de acuerdo con algunas realizaciones y el líquido de depuración acuoso alcalino puede recircularse al primer absorbedor mediante un primer sistema de tuberías que conecta la entrada y la salida del primer absorbedor. El segundo absorbedor comprende una entrada para recibir el líquido de depuración acuoso alcalinos del segundo tanque de almacenamiento intermedio y una salida para extraer el líquido de depuración acuoso usado del segundo absorbedor para alimentarlo a una entrada del segundo tanque de almacenamiento intermedio. De esta manera, el líquido de depuración acuoso alcalino puede circular entre el segundo absorbedor y el segundo tanque de almacenamiento intermedio. Si bien se prefiere la presencia del segundo tanque de almacenamiento intermedio, se puede prescindir él de acuerdo con algunas realizaciones y el líquido de depuración acuoso alcalino puede recircularse al segundo absorbedor mediante un segundo sistema de tuberías que conecta la entrada y la salida del primer absorbedor. La salida del segundo absorbedor está en comunicación de flujo con la entrada del primer absorbedor.
Si el sistema de depuración comprende más de dos absorbedores, estos pueden disponerse de manera que la salida de un absorbedor aguas abajo esté en comunicación de flujo con la entrada de un absorbedor aguas arriba. De forma adicional, una entrada del último absorbedor (es decir, el absorbedor que está más aguas abajo cerca de una salida para el gas depurado) está en comunicación de flujo con la salida para el líquido de depuración acuoso regenerado de la cámara catódica. Además, una salida del primer absorbedor (es decir, el que está más aguas arriba cerca de una entrada para el gas a depurar) está en comunicación de flujo con una entrada para el líquido de depuración acuoso usado de la cámara anódica. Normalmente, el líquido de depuración acuoso alcalino puede recircularse a cada absorbedor por medio de un sistema de tuberías que conecta la entrada y la salida del absorbedor respectivo. Similar al primer y segundo absorbedores, cualquier absorbedor adicional puede estar en comunicación de flujo con un tanque de almacenamiento intermedio correspondiente.
De acuerdo con una realización, la disposición de depuración comprende además un tercer tanque de almacenamiento intermedio para el líquido depurador acuoso regenerado. El tercer tanque de almacenamiento intermedio tiene una entrada para recibir el líquido de depuración acuoso regenerado, de modo que el tercer tanque de almacenamiento intermedio pueda llenarse con líquido de depuración acuoso regenerado. De forma adicional, el tercer tanque de almacenamiento intermedio está en comunicación de flujo con la entrada del segundo absorbedor. Además, la disposición de depuración puede comprender un cuarto tanque de almacenamiento intermedio para el líquido de depuración acuoso usado. El cuarto tanque de almacenamiento intermedio está en comunicación de flujo con el primer tanque de almacenamiento intermedio, de modo que el cuarto tanque de almacenamiento intermedio pueda llenarse con el líquido de depuración acuoso regenerado durante el funcionamiento de la disposición de depuración. El cuarto tanque de almacenamiento intermedio tiene además una salida para extraer el líquido de depuración acuoso usado, de modo que se pueda vaciar el cuarto tanque de almacenamiento intermedio.
Al proporcionar tal disposición de depuración, esta se puede utilizar sin que esté conectada directamente a ninguna disposición de regeneración. Puede instalarse, por ejemplo, en un vehículo para depurar un gas de escape obtenido durante el funcionamiento del vehículo. El tercer tanque de almacenamiento intermedio se puede llenar con el líquido de depuración acuoso alcalino para ser utilizado en el proceso de depuración. El líquido de depuración acuoso usado se puede extraer del cuarto tanque de almacenamiento intermedio para vaciarlo en un momento conveniente, tal como al repostar el vehículo, para que se vacíe después de llenarse durante el proceso.
De manera correspondiente, se proporciona un ejemplo de una disposición de regeneración para regenerar un líquido de depuración acuoso usado que comprende carbonato de hidrógeno (HCO3-) y/o carbonato (CO32-) utilizado en electrólisis para proporcionar un líquido de depuración acuoso alcalino. La disposición de regeneración ya se ha descrito en el presente documento anteriormente. Comprende una celda electrolítica. La celda electrolítica comprende una cámara anódica y una cámara catódica separadas por una membrana. El ánodo está presente dentro de la cámara anódica y el cátodo está presente dentro de la cámara catódica. La cámara anódica comprende una entrada de ánodo para recibir el líquido de depuración acuoso usado y una salida de ánodo para extraer oxígeno y dióxido de carbono. La disposición de regeneración puede comprender además un filtro para filtrar el líquido de depuración acuoso usado para alimentar la entrada del ánodo de la cámara anódica. La cámara catódica comprende una salida para extraer hidrógeno y líquido de depuración acuoso regenerado. La disposición de regeneración comprende además un concentrador para concentrar una corriente acuosa que comprende algo de carbonato de hidrógeno (HCO3-) extraído de la cámara anódica para proporcionar una corriente concentrada que comprende carbonato de hidrógeno (HCO3-) y una corriente acuosa empobrecida en carbonato de hidrógeno (HCO3-). El concentrador está dispuesto en comunicación de flujo con la celda electrolítica de tal manera que la corriente acuosa que comprende algo de carbonato de hidrógeno (HCO3-) puede extraerse de la cámara anódica y alimentarse al concentrador, la corriente concentrada que comprende carbonato de hidrógeno (HCO3-) puede extraerse del concentrador y alimentarse a la cámara anódica, y la corriente acuosa empobrecida en carbonato de hidrógeno (HCO3-) puede extraerse del concentrador y alimentarse a la cámara catódica.
La disposición de regeneración puede comprender además un primer tanque de compensación para el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado. El primer tanque de compensación tiene una primera entrada para recibir el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado y una segunda entrada para recibir la corriente acuosa empobrecida en carbonato de hidrógeno (HCO3-) extraída del concentrador. De forma adicional, el primer tanque de compensación tiene una salida para alimentar el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado diluido a la cámara catódica de la celda electrolítica. Además, la disposición de regeneración puede comprender un tercer tanque de almacenamiento intermedio para almacenar el líquido de depuración acuoso regenerado. El tercer tanque de almacenamiento intermedio tiene una entrada para recibir el líquido de depuración acuoso regenerado, de modo que el tercer tanque de almacenamiento intermedio pueda llenarse con líquido de depuración acuoso regenerado. De forma adicional, el tercer tanque de almacenamiento intermedio tiene una salida para extraer líquido de depuración acuoso regenerado al llenar un tanque de almacenamiento intermedio correspondiente del sistema de depuración.
La disposición de regeneración puede comprender además un segundo tanque de compensación para el líquido de depuración acuoso usado. El segundo tanque de compensación tiene una primera entrada para recibir el líquido de depuración acuoso usado de la disposición de depuración, una segunda entrada para recibir la corriente concentrada que comprende carbonato de hidrógeno (HCO3-) del concentrador, y una salida para alimentar el líquido de depuración acuoso usado a la cámara anódica de la celda electrolítica. Además, la disposición de regeneración puede comprender un cuarto tanque de almacenamiento intermedio para el líquido de depuración acuoso usado. El cuarto tanque de almacenamiento intermedio está en comunicación de flujo con la cámara anódica, de modo que el líquido de depuración acuoso usado a regenerar, puede extraerse del cuarto tanque de almacenamiento intermedio. Además, el cuarto tanque de almacenamiento intermedio tiene una entrada para recibir el líquido de depuración acuoso usado. De esta manera, el cuarto tanque de almacenamiento intermedio puede llenarse vaciando un tanque de almacenamiento intermedio correspondiente del sistema de depuración.
La disposición de regeneración puede comprender además una primera unidad compresora para comprimir el hidrógeno extraído de la cámara catódica. De forma adicional, la disposición de regeneración puede comprender una segunda unidad compresora para comprimir el oxígeno y el dióxido de carbono extraídos de la cámara anódica y/o un primer separador de gases para separar el oxígeno y el dióxido de carbono extraídos de la cámara anódica. Normalmente, el primer separador de gas está dispuesto aguas abajo de la segunda unidad compresora para separar el dióxido de carbono líquido del oxígeno gaseoso.
Aunque la presente invención se ha descrito anteriormente con referencia a realizaciones específicas, no se pretende que esté limitada a la forma específica expuesta en el presente documento. Más bien, la invención está limitada únicamente por las reivindicaciones anexas y otras realizaciones distintas de las específicas descritas anteriormente son igualmente posibles dentro del alcance de estas reivindicaciones adjuntas.
En las reivindicaciones, los términos "comprende/comprendiendo" no excluyen la presencia de otros elementos o etapas. Además, aunque pueden incluirse características individuales en diferentes reivindicaciones, posiblemente estas pueden combinarse de manera ventajosa, y la inclusión en diferentes reivindicaciones no implica que una combinación de características no sea factible y/o ventajosa.
Además, las referencias singulares no excluyen una pluralidad. Los términos "un", "uno/a", "primero(a)", "segundo/a", etc. no excluyen una pluralidad.
Breve descripción de los dibujos
Estos y otros aspectos, características y ventajas de las que es capaz la invención serán evidentes y se aclararán a partir de la siguiente descripción de las realizaciones de la presente invención, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 muestra una trayectoria de flujo entre un depurador y una celda electrolítica;
la Figura 2 muestra un esquema de proceso de un sistema para depurar gases de combustión;
la Figura 3 muestra una disposición de depuración del esquema de proceso de la Figura 2;
la Figura 4 muestra una disposición de regeneración del esquema de proceso de la Figura 2;
la Figura 5 muestra los resultados del ensayo de la generación total de flujo de gas en la celda electrolítica y el valor de pH a lo largo del tiempo;
la Figura 6 muestra los resultados del ensayo del flujo de gas de CO2 y O2 en relación con el valor del pH a lo largo del tiempo;
la Figura 7 muestra los resultados de los ensayos de la producción de gas de CO2 y O2 en relación con el consumo de energía a lo largo del tiempo; y
la Figura 8 muestra los resultados de los ensayos de la relación entre la producción de gases que salen de la celda electrolítica a lo largo del tiempo.
Descripción detallada
Con referencia a la Figura 1, se muestra un sistema 100 de acuerdo con una realización que tiene una disposición de depuración 200 y una disposición de regeneración 300. En este punto, se ilustra un método para depurar un gas, tal como gas de combustión o gas de escape, que comprende dióxido de carbono CO2. El gas ingresa al depurador a través de la entrada 213 del depurador. Para empobrecer los gases de combustión en dióxido de carbono CO2, el método de depuración se puede describir como sigue. El gas se depura en el depurador 210 a contracorriente con un primer líquido de depuración acuoso alcalino para disolver el dióxido de carbono CO2 como hidrogenocarbonato HCO3-y/o como carbonato CO32- en el primer líquido de depuración acuoso alcalino. Se obtiene como resultado un primer líquido de depuración acuoso usado que comprende carbonato de hidrógeno HCO3- y/o carbonato CO32- disueltos. El primer líquido de depuración acuoso usado tiene un pH de aproximadamente 7 a aproximadamente 9 cuando sale por la salida 211" para extraer el líquido de depuración acuoso usado del depurador 210. El primer líquido de depuración acuoso usado se alimenta luego a una cámara anódica 313 de una celda electrolítica 310 a través de una entrada de ánodo 313'. La celda electrolítica 310 tiene además de la cámara anódica 313 también una cámara catódica 312. La cámara anódica 313 y la cámara catódica 312 están separadas por una membrana 311. Esta membrana 311 puede ser una membrana semipermeable, que es permeable a los cationes, pero esencialmente impermeable a los aniones. De esta manera, la membrana es una membrana de intercambio catiónico. La electrólisis aumenta el pH del primer líquido de depuración acuoso usado en la cámara catódica 312. En la cámara anódica 313, la electrólisis empobrece aún más el primer líquido de depuración acuoso usado en carbonato de hidrógeno HCO3- y carbonato CO32-, disminuyendo el valor de pH para liberar dióxido de carbono gaseoso. La salida 211" para el líquido de depuración acuoso usado del depurador 210 está en comunicación de flujo con la entrada 313' para el líquido de depuración acuoso usado de la cámara anódica 313. Por otra parte, la salida 312" para el líquido de depuración acuoso regenerado de la cámara catódica 312 está en comunicación de flujo con la entrada 212' para el líquido de depuración acuoso alcalino del depurador 210.
Se puede decir que el primer líquido de depuración acuoso usado se regenera generando hidrógeno gaseoso H2 e iones de hidróxido disueltos OH- en la cámara catódica 312 y una mezcla gaseosa de oxígeno O2 y dióxido de carbono CO2 en la cámara anódica 313 por electrólisis. Esto se indica mediante las flechas que apuntan hacia arriba desde la salida 312" del cátodo y la salida 313" del ánodo en la Figura 1, respectivamente. El hidrógeno gaseoso H2 y los iones de hidróxido disueltos OH- se extraen de la cámara catódica 312 y la mezcla gaseosa de oxígeno O2 y dióxido de carbono CO2 se extrae de la cámara anódica 313. Por ejemplo, el hidrógeno H2 puede usarse en procesos aguas abajo (no mostrados) tal como en la producción de combustible o metanol. El líquido de depuración acuoso alcalino regenerado de la cámara catódica 312 luego se recircula a través de la entrada 212' para recibir el líquido de depuración acuoso alcalino al depurador 210. El gas empobrecido en dióxido de carbono CO2 luego sale del depurador 210 a través de la salida 214 del depurador.
En la Figura 2, se muestra una vista detallada del sistema 100 descrito en relación con la Figura 1. El sistema está separado en dos partes; la disposición de depuración 200 y la disposición de regeneración 300. Estas dos disposiciones también se muestran por separado en las Figuras 3 y 4, respectivamente. Para una mayor comprensión, la disposición de depuración 200 y la disposición de regeneración 300 se describirán ahora por separado. Las flechas de puntos en las Figuras 3 y 4 indican dónde pueden encontrarse la disposición de depuración 200 y la disposición de regeneración 300 en la Figura 2 para formar el sistema 100 en su totalidad. Como alternativa, la disposición de depuración 200 y la disposición de regeneración 300, pueden funcionar de forma independiente.
Con referencia a la Figura 3 , la disposición de depuración 200 tiene un primer tanque de almacenamiento intermedio 230 y un segundo tanque de almacenamiento intermedio 240 para el líquido de depuración acuoso alcalino. El depurador 210 tiene un primer absorbedor 211 y un segundo absorbedor 212 para depurar el gas de dióxido de carbono. El líquido de depuración puede recircularse al primer absorbedor 211 a través del primer tanque de almacenamiento intermedio 230. De forma adicional, el líquido de depuración puede recircularse al segundo absorbedor 212 a través del segundo tanque de almacenamiento intermedio 240. El primer absorbedor 211 tiene así una entrada 211' para recibir el líquido de depuración acuoso alcalino del primer tanque de almacenamiento intermedio 230, y una salida 211" para extraer el líquido de depuración acuoso usado y alimentarlo a la entrada 313' para el líquido de depuración acuoso usado de la cámara anódica 313 directamente (como se muestra en la Figura 1) o a través del primer tanque de almacenamiento intermedio 230, como se muestra en las Figuras 2 y 3. El segundo absorbedor 212 tiene una entrada 212' para recibir el líquido de depuración acuoso alcalino del segundo tanque de almacenamiento intermedio 240 y una salida 212" para extraer el líquido de depuración acuoso usado y alimentarlo a la entrada 211' del primer absorbedor y/o al segundo tanque de almacenamiento intermedio 240. La salida 212" del segundo absorbedor está en comunicación de flujo con el segundo tanque de almacenamiento intermedio 240 y la entrada 211' del primer absorbedor 211. De esta manera, el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado se puede mezclar con el líquido de depuración acuoso usado del segundo absorbedor 212 antes de ser alimentado como líquido de depuración acuoso alcalino al segundo absorbedor 212. De forma adicional, el líquido de depuración acuoso usado del segundo absorbedor 212 se puede mezclar con el líquido de depuración acuoso usado del primer absorbedor 211 antes de ser alimentado como líquido de depuración acuoso alcalino al primer absorbedor 211. Al controlar los caudales en la disposición de depuración 200, así como las proporciones de mezcla, se puede controlar no sólo la eficacia de la depuración, sino también el pH del líquido de depuración acuoso usado a regenerar.
De conformidad con la descripción de la Figura 1, el gas de combustión ingresa al depurador 210 a través de la entrada 213 del depurador. La depuración se realiza entonces en dos etapas. La primera etapa tiene lugar en el primer absorbedor 211 y la segunda etapa tiene lugar en el segundo absorbedor 212. La depuración se realiza a contracorriente, con el segundo absorbedor 212 dispuesto aguas abajo del primer absorbedor 211.
Como ya se ha mencionado, la disposición de depuración 200 también tiene un tercer tanque de almacenamiento intermedio 220 para el líquido de depuración acuoso regenerado. Este tercer tanque de almacenamiento intermedio 220 está en comunicación de flujo con la salida 312" para el líquido de depuración acuoso regenerado de la cámara catódica 312 y con la entrada 212' del segundo absorbedor 212. La disposición de depuración 200 también tiene un cuarto tanque de almacenamiento intermedio 250 para el líquido de depuración acuoso usado. Este cuarto tanque de almacenamiento intermedio 250 está en comunicación de flujo con el primer tanque de almacenamiento intermedio 230 y con la entrada 313' para el líquido de depuración acuoso usado de la cámara anódica 313. El cuarto tanque de almacenamiento intermedio 250 también tiene una salida para extraer el líquido de depuración acuoso usado y llevarlo a la celda electrolítica 310 a través de la entrada 313' del ánodo.
Si la disposición de depuración 200 está dispuesta por separado de la disposición de regeneración 300, tal como en un vehículo, también la disposición de regeneración 300, tal como una estación de carga o un depósito de vehículo, puede comprender un tercer tanque de almacenamiento intermedio 220 y un cuarto tanque de almacenamiento intermedio 250 como se muestra en la Figura 4.
Ahora volvemos a la disposición de regeneración 300 en la Figura 4. Además de la celda electrolítica 310 y sus componentes, que se han descrito anteriormente en relación con Figura 1, la disposición de regeneración 300 comprende además una primera unidad compresora 320 para comprimir el hidrógeno gaseoso extraído de la cámara catódica 312. Por otra parte, la disposición de regeneración 300 comprende además una segunda unidad compresora 330 para comprimir el oxígeno y el dióxido de carbono extraídos de la cámara anódica. Además, la disposición de regeneración 300 también comprende un primer separador de gas 340 para separar el oxígeno O2 y dióxido de carbono CO2 extraídos de la cámara anódica 313 del líquido. El primer separador de gas 340 está dispuesto aguas arriba de la segunda unidad compresora 330. La disposición de regeneración 300 también comprende un segundo separador de gas 380 para separar el hidrógeno gaseoso H2 y, por ejemplo, el hidróxido de potasio acuoso líquido KOH, extraído de la cámara catódica 312. Cuando el sistema 100 está funcionando, el oxígeno O2 y el dióxido de carbono CO2 que salen del primer separador de gases 340 se comprimen. La composición normalmente es de alrededor del 75 % de CO2 y 25 % de O2. Por ejemplo, pueden comprimirse a aproximadamente 50 bar a 10 °C, condiciones en las que el dióxido de carbono CO2 se licua y el oxígeno O2 todavía está en fase gaseosa. Una ventaja de mantener el CO2 en una fase líquida es que es práctico durante el transporte. Por ejemplo, un tercer separador 390 está presente aguas abajo del compresor para separar el oxígeno del dióxido de carbono licuado.
Además, la disposición de regeneración 300 tiene un separador 350, tal como un filtro. Por ejemplo, el filtro puede ser un filtro de ósmosis inversa. Este concentrador 350 está dispuesto aguas abajo del primer separador de gases 340. Después de pasar el primer separador de gases, el fluido contiene una corriente acuosa que comprende algo de carbonato de hidrógeno HCO3- extraído de la cámara anódica 313. El concentrador está configurado para proporcionar, tal como mediante filtración, una corriente concentrada de carbonato de hidrógeno HCO3- y una corriente acuosa empobrecida en carbonato de hidrógeno HCO3-. El concentrador 350 está en comunicación de flujo con la celda electrolítica 310 de manera que la corriente acuosa que comprende algo de carbonato de hidrógeno HCO3- se extrae de la cámara anódica 313 y se alimenta al concentrador 350. La corriente concentrada de carbonato de hidrógeno HCO3- puede extraerse del concentrador 350 y alimentarse a la cámara anódica 313. De forma adicional, la corriente acuosa empobrecida en carbonato de hidrógeno HCO3- puede extraerse del concentrador 350 y alimentarse a la cámara catódica 312.
La disposición de regeneración 300 también tiene un primer tanque de compensación 360 para el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado. El primer tanque de compensación 360 tiene una primera entrada 361 para recibir el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado del segundo separador de gas 380. El primer tanque de compensación 360 también tiene una segunda entrada 362 para recibir la corriente acuosa empobrecida en carbonato de hidrógeno HCO3- de un tercer tanque de compensación 351, extraída del concentrador 350. De forma adicional, tiene una salida 363 para alimentar el líquido de depuración acuoso alcalina regenerada diluido a la cámara catódica 312 de la celda electrolítica 310.
La disposición de regeneración 300 también puede tener un segundo tanque de compensación 370 para el líquido de depuración acuoso usado. El segundo tanque de compensación 370 tiene una primera entrada 371 para recibir el líquido de depuración acuoso usado de la disposición de depuración 200, en particular a través del cuarto tanque de almacenamiento intermedio 250. De forma adicional, tiene una segunda entrada 372 para recibir la corriente concentrada que comprende carbonato de hidrógeno HCO3- del concentrador 350. También tiene una salida 373 para alimentar el líquido de depuración acuoso usado a la cámara anódica 313 de la celda electrolítica 310.
Para describir más detalladamente la relación entre la disposición de depuración 200 y la disposición de regeneración 300, se proporciona la siguiente descripción. El líquido de depuración acuoso alcalino regenerado extraído de la cámara catódica 312 de la celda electrolítica 310 se alimenta como un segundo líquido de depuración acuoso alcalino a la segunda etapa de depuración aguas abajo de la primera etapa de depuración. La segunda etapa de depuración se puede definir como el proceso del segundo absorbedor 212. Un segundo líquido de depuración usado, resultante de la segunda etapa de depuración en el segundo absorbedor 212, se alimenta, al menos en parte, como el primer líquido de depuración acuoso alcalino a la primera etapa de depuración aguas arriba de la segunda etapa de depuración, es decir, en el primer absorbedor 211.
El valor de pH del segundo líquido de depuración acuoso alcalino que entra en el segundo absorbedor 212 es bastante alto. Preferiblemente, el pH del segundo líquido de depuración acuoso alcalino es de aproximadamente 12 a 14. Este es más alto que el pH del primer líquido de depuración acuoso alcalino que sale del primer absorbedor 211 en su camino hacia la celda electrolítica 310. Preferiblemente, el pH del primer líquido de depuración acuoso alcalino es de aproximadamente 8 a 10.
Cabe señalar que la celda electrolítica puede ser sensible a las impurezas en el fluido que fluye a través de las cámaras anódica y catódica. Por consiguiente, también puede haber una unidad de limpieza separada (no se muestra), que sirve para eliminar impurezas tales como, por ejemplo, óxidos de nitrógeno NOx y óxidos de azufre SOx del líquido de depuración acuoso usado antes de que entre en la celda electrolítica 310. A modo de ejemplo, la unidad de limpieza puede incluir un filtro para eliminar el material en forma de partículas.
Cabe señalar que en todas las Figuras 1-4, la dirección de las flechas corresponde a la dirección de flujo de los fluidos que circulan en el sistema 100. De forma adicional, las líneas de las flechas indican una comunicación fluida o de flujo entre los elementos del sistema.
Procesos químicos
Los procesos químicos que ocurren en el sistema 100 se pueden dividir en dos partes diferentes, en concreto, captura de carbono y regeneración electroquímica, respectivamente. La reacción global divide electroquímicamente el agua en oxígeno e hidrógeno de acuerdo con la siguiente fórmula:
2 x H2O — O2 + 2 x H2
Las reacciones químicas se han equilibrado para el proceso global de capturar de 4 x moléculas CO2.
El depurador
En resumen, el carbono se captura en el depurador 210 disolviendo el dióxido de carbono en el líquido de depuración acuoso alcalino. Esta reacción tiene lugar automáticamente de conformidad con la siguiente fórmula:
4 x OH- 4 x CO2 — 4 HCO3-
A continuación, el disolvente se regenera en la disposición de regeneración 300 usando electroquímica. En general, la reacción electroquímica se puede dividir en dos partes; la reacción en el ánodo y la reacción en el cátodo. Estas reacciones se describirán a continuación.
El ánodo
En la cámara anódica 313, se generan O2 y CO2 en dos etapas diferentes. En primer lugar, el O2 se genera en el ánodo junto con 4 H+. Posteriormente, el H+ disminuye el valor de pH del disolvente y libera CO2. Simultáneamente, se genera O2 en el ánodo y los dos gases se mezclan en una proporción de 4:1, de CO2 a O2. La reacción global en la cámara anódica 313 es:
4 x HCO3-—— O2 + 4 x CO2 + 2 x H20 + 4 e-
La reacción en el ánodo es:
2 x H2O ^ O2 + 4 x H+ 4 e-
Esta reacción disminuye localmente el valor del pH. Esta disminución en el valor de pH empuja el equilibrio HCO3-/CO2 hacia la derecha, de modo que:
4 x H++ 4 x HCO3- ^ 4 x CO2 + 4 x H2O
lo que da como resultado la liberación del CO2 gaseoso del disolvente.
El cátodo
En el cátodo, se produce H2 junto con OH-. Esta reacción genera H2, que es valioso para aplicaciones posteriores y regenera el disolvente alcalino que comprende iones de hidróxido (OH-) para el proceso de captura de carbono. La reacción de la cámara catódica 312 es:
4 x H2O 4 w 2 x H2 + 4 x OH-.
Líquido de depuración
La etanolamina (MEA) es una amina utilizada para la captura de carbono utilizada en depuradores convencionales. Se ha sugerido que MEA puede actuar como promotor del proceso de depuración, por ejemplo, de gases de combustión. De hecho, se sabe que MEA captura CO2 más rápido que una solución de hidróxido. Por lo tanto, una idea contemplada ha sido combinar las capacidades de captura de carbono de MEA con las propiedades electroquímicas de la solución de hidróxido. Sin embargo, los ensayos experimentales han indicado que, lamentablemente, MEA se comporta de manera indeseable en una celda electroquímica. Parece que la MEA se reduce en el cátodo, lo que reduciría la capacidad de captura de carbono del disolvente, que es altamente indeseable. De esta manera, en el sistema 100 divulgado en el presente documento se prefiere el uso de un hidróxido metálico, p. ej., hidróxido de potasio o sodio.
Necesidad energética
La reacción electroquímica en la celda electrolítica 310 requiere energía eléctrica. El consumo de energía real dependerá de la implementación técnica del proceso del sistema 100. Suponiendo una eficiencia del 100%, la corriente mínima requerida para el proceso se puede calcular utilizando la ley de termodinámica de Faraday: I = mFz/tM. Con los parámetros que se enumeran en Tabla 1 a continuación, se puede calcular la corriente.
Tabla 1 - parámetros para calcular la corriente mínima necesaria para el proceso Símbolo Cantidad Valor
m Masa de O2 182 kg
F constante de Faraday 96485 C/mol
z Número de valencia de electrones 2
t Tiempo 1 s
M Masa molar de O2 32 g/mol
Por lo tanto, la corriente se puede calcular para I = 1,09 x 109 A. Suponiendo una tensión mínima de 2 V, el consumo de energía mínimo teórico para 1 tonelada de CO2 será:
Pm¡n= 2 V x 1,09 x 109 A = 2,18 x 109 J = 2,18 GJ.
Para reacciones químicas reales, se espera un mayor consumo de energía. Como sugiere un modelo basado en experimentos, el consumo de energía final para la captura de CO2 y la regeneración del disolvente se prevé en 5,88 GJ por 1 tonelada de CO2. Este proceso regenera el disolvente, produce H2 en el cátodo 312 y una mezcla de CO2 y O2 en el ánodo.
Se requiere más energía para la separación del CO2 y O2 del primer separador de gas 340. Esta separación se puede realizar, por ejemplo, criogénicamente. El consumo de energía para el CO2 separado criogénicamente de CH4 ha sido estudiado en la bibliografía con fines de obtención de biogás. Para la separación criogénica, CH4 y O2 tienen propiedades fisicoquímicas similares, ya que el CO2 se elimina por enfriamiento. El consumo de energía para la separación de O2 y CO2 en el primer separador de gas 340 se espera que sea de 1,4 ± 0,4 MJ por kg de CO2.
El CO2 y el H2 normalmente se producen en una proporción de 2:1. Si la aplicación aguas abajo es la producción de metanol, la relación estequiométrica adecuada es 1:3 y se requiere H2 adicional para este proceso. El equipo de electrólisis comercial produce H2 con un consumo energético de 55 kWh/kg. Por cada tonelada de CO2, los requisitos de H2 son, por lo tanto, (mco2Mco2) x 3 = 68182 mol, lo que equivale a: 68182 mol x 2 g/mol x 55 kWh/kg = 7500 kWh = 26,98 GJ. El proceso de regeneración de captura de carbono produjo H2 correspondiente a 4,5 GJ, y los requisitos de energía restantes para la producción de H2 son, por lo tanto: 26,98 GJ - 4,50 GJ = 22,48 GJ.
El consumo de energía del proceso de captura de carbono está determinado principalmente por la celda electroquímica. La purificación de CO2 requiere energía adicional. Sin embargo, el consumo de energía sustancialmente más grande proviene de la producción H2. Se espera que solo la captura y purificación de carbono cueste del orden de 7,28 GJ por tonelada de CO2. Esto incluye la producción de H2 correspondiente a 4,5 GJ como ya se ha mencionado. Valores comerciales para la captura de CO2 con depuradores de aminas es actualmente de 3,7 GJ por tonelada de CO2. Esto es sin la generación de H2 ni la purificación de CO2. Por consiguiente, si el CO2 se utiliza aguas abajo de la celda electrolítica 310 junto con el H2 para fabricar, por ejemplo, metanol, el proceso divulgado en el presente documento será beneficioso.
Utilizando los valores de un modelo experimental, el metanol producido a partir de 1000 kg de CO2 costaría aproximadamente 2,5 kr/l, véase la Tabla 2 a continuación. Este precio (en coronas danesas, kr) se calcula basándose únicamente en el consumo de energía y no tiene en cuenta material ni personal.
Tabla 2 - Consumo energético para la producción de metanol a partir de 1000 kg de CO2 Proceso Consumo de energía
Caso: 1000 kg de CO2
Captura y regeneración de carbono 5,88 GJ
Purificación de CO2 1,4 GJ
Producción de H2 22,48 GJ
Total 29,76 GJ = 8267 kWh
Producción 728 kg = 919 I de metanol
Precio de la electricidad 0,3 kr/kWh
Impuesto al carbono (ahorrado) 182 kr
Precio 2,5 kr/l
Actualmente, el metanol producido a partir de fuentes no renovables se vende al precio de 1,66 kr/l. El precio de 2,5 kr/l es superior a 1,66 kr/l. Sin embargo, actualmente, se espera que el metanol verde tenga un precio más alto que el metanol negro. Además, el precio está muy ligado al precio de la electricidad. Sin embargo, ya que se espera que aumente el impuesto al carbono, así como el coste de los derechos de emisión, la necesidad y la solicitud de producción de metanol aumentarán en la industria y el sistema 100 proporcionado en el presente documento será beneficioso para satisfacer esta mayor demanda.
SECCIÓN EXPERIMENTAL
Ejemplo 1
En lo sucesivo, se presenta la captura de CO2 de una central eléctrica que genera 10 MW de calor y electricidad a partir de biomasa en relación con tres etapas del proceso; "depurador", "regeneración" y "separación", véase la Tabla 3. En general, el proceso requiere una gran cantidad de energía eléctrica. Esto es positivo, ya que la electrificación del proceso de captura de carbono es muy buscada y completamente nueva. Parte de la energía puede recuperarse como calor para la calefacción urbana.
Tabla 3 - Ca tura de CO2 en una central eléctrica de 10 MW
Figure imgf000013_0001
Ejemplo 2
Para verificar la aplicabilidad del proceso usando el sistema 100 como se describe en el presente documento, se han realizado ensayos de laboratorio.
En los ensayos de laboratorio, se utilizó una celda de electrólisis estándar de EC Electrocell, modelo Electro MP Cell. La celda de electrólisis estaba provista de una membrana Nafion 117. Al hacer funcionar la celda, se hizo circular una solución 1,5 M de KHCO3 por el lado del ánodo desde un tanque combinado de desgasificación/circulación. El líquido se hizo circular a 1,5 Umin. De forma análoga, se hizo circular una solución 1,5 M de KOH por el lado del cátodo desde un tanque combinado de desgasificación/circulación. El líquido se hizo circular a 1,5 l/min. Se utilizaron caudalímetros y bombas de laboratorio convencionales. El flujo de gas de los tanques de desgasificación se midió con un caudalímetro de gas Aalborg GFM. El contenido de CO2 se midió usando un Guardian NG de Edinburgh Sensors. Se usó una placa de calorífica convencional para mantener una temperatura constante del líquido a 40 grados centígrados durante los experimentos. El pH y la temperatura se midieron en los tanques de circulación utilizando medidores de temperatura y pH convencionales en línea. La densidad de corriente aplicada al electrolizador varió entre 1-4 kA/m2, utilizando un convertidor de potencia convencional.
Los resultados se presentan en las Figuras 5-8. Está claro que el valor de pH del líquido de depuración que entra en la celda electrolítica 310 juega un papel importante en la producción de gases.
La Figura 5 muestra la generación total de gas en la celda electrolítica y el valor de pH a lo largo del tiempo. Como se muestra, el flujo de gas en el lado del ánodo de la celda electrolítica es bastante bajo al comienzo del ensayo. En este punto, el valor de pH del líquido de depuración es de alrededor de 9,5. A medida que desciende el valor del pH, el flujo de gas aumenta hasta alcanzar su nivel máximo a un pH de aproximadamente 8,5. Seguidamente, el flujo de gas se estabiliza a aproximadamente 290 ml de gas/min y el valor de pH a aproximadamente 8.
En la Figura 6, el flujo de gas de CO2 y O2 se ilustra en relación con el valor de pH a lo largo del tiempo. Como puede verse, al inicio, solo se produce O2 y no hay liberación de CO2. Sin embargo, tan pronto como el valor del pH comienza a descender, el proceso comienza a producir CO2 gas y el aumento colectivo en el flujo de gas se debe sustancialmente al aumento de CO2. El gas tiene entonces la composición de aproximadamente 25 % de O2 y 75 % de CO2. De esta manera, se demuestra una vez más que el valor del pH juega un papel importante en la composición del gas y en la producción de CO2 a partir del líquido de depuración y, por tanto, también en la regeneración del líquido de depuración. Preferiblemente, el proceso funciona para proporcionar al líquido de depuración acuoso usado un valor de pH de aproximadamente 8,5. Aquí es donde ocurre una óptima producción de gas y generación de CO2.
Por consiguiente, el depurador 210 puede verse no solo como un depurador, sino, lo que es más importante, también como un regulador del pH. El depurador 210 se divide preferiblemente en varias etapas o absorbedores, tales como el primer y segundo absorbedores 211, 212 representados con líneas discontinuas en la Figura 2. El fluido del depurador que ingresa al segundo absorbedor 212 tiene un valor de pH más alto que el fluido que sale del primer absorbedor 211 a la cámara anódica 313 de la celda electrolítica 310. Esto también queda claro a partir de la Figura 7 , donde la producción de gas de CO2 y O2 se muestra en relación con el consumo de energía. En este punto, la corriente ha disminuido en tres etapas, marcado por la línea azul que tiene forma de escalón.
La Figura 8 muestra la relación entre la producción de gases que salen de la celda electrolítica por hora medida a lo largo del tiempo. Queda claro que la producción de O2, H2 y KOH comienza inmediatamente, mientras que la producción de CO2 comienza cuando el valor del pH se reduce a un nivel apropiado como se ha descrito anteriormente. La producción de H2 sigue a la producción de O2 en una proporción de 2 partes de H2 por una parte de O2. Por otra parte, la producción de KOH sigue a la producción de H2 en una proporción de 2 partes de KOH por una parte de H2.
A partir de la Tabla 4 queda claro que esencialmente no se requiere energía adicional para generar CO2 y producir KOH para la regeneración del fluido de depuración, en comparación con la electrólisis convencional del H2. De esta forma, la producción de H2, en realidad, puede compensar sustancialmente la energía requerida para la captura de CO2.
T l 4 - n m n r í n l r i n .
Figure imgf000014_0001
Resumiendo, la divulgación pretende describir un sistema 100 que reduce el coste (por tonelada de CO2) para capturar CO2 en comparación con las tecnologías existentes, donde los costes están asociados a la energía eléctrica verde, la cuota sobre el CO2 o los impuestos, así como con el precio de venta del hidrógeno.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Un método para depurar un gas, tal como gases de combustión o gases de escape, que comprende dióxido de carbono, para empobrecer el gas en dióxido de carbono (CO2), comprendiendo el método las etapas de:
- depurar el gas en un depurador (210) con un primer líquido de depuración acuoso alcalino para disolver el dióxido de carbono (CO2) como carbonato de hidrógeno (HCO3') y/o como carbonato (CO32') en el primer líquido de depuración acuoso alcalino, proporcionando así un primer líquido de depuración acuoso usado que comprende carbonato de hidrógeno (HCO3") y/o carbonato (CO32"), teniendo el primer líquido de depuración acuoso usado un pH de 7 a 9;
- alimentar el primer líquido de depuración acuoso usado a una cámara anódica de una celda electrolítica (310) que comprende la cámara anódica (313) y una cámara catódica (312) separadas por una membrana (311); - regenerar por electrólisis el primer líquido de depuración acuoso usado en la celda electrolítica (310), aumentando la electrólisis el pH del primer líquido de depuración acuoso usado en la cámara catódica (312), empobreciendo aún más la electrólisis el carbonato de hidrógeno (HCO3') del primer líquido de depuración acuoso usado y el carbonato (CO32') en la cámara anódica (313) al disminuir el pH, comprendiendo además la regeneración generar por electrólisis hidrógeno gaseoso en la cámara catódica (312) y una mezcla gaseosa de oxígeno y dióxido de carbono (CO2) en la cámara anódica (313); y
- extraer el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado de la cámara catódica (312) y recircularlo al depurador (210);
en donde:
- se extrae el hidrógeno gaseoso de la cámara catódica (312); y
- se extrae la mezcla gaseosa de oxígeno y dióxido de carbono de la cámara anódica (313).
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el primer líquido de depuración acuoso alcalino comprende un hidróxido metálico disuelto, tal como uno o más de hidróxido de potasio (KOH) disuelto, hidróxido de sodio (NaOH) disuelto e hidróxido de litio (LiOH) disuelto; preferiblemente el primer líquido de depuración acuoso alcalino comprende hidróxido de potasio (KOH).
3. El método de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde el método comprende además una etapa de separar la mezcla gaseosa de oxígeno y dióxido de carbono en:
- una primera corriente rica en oxígeno y/o empobrecida en dióxido de carbono; y
- una segunda corriente rica en dióxido de carbono y/o empobrecida en oxígeno.
4. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el hidrógeno extraído de la cámara catódica (312) se usa como combustible para proporcionar electricidad; preferiblemente en una celda de combustible.
5. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el método comprende, además:
- extraer una corriente acuosa que todavía contiene algo de carbonato de hidrógeno (HCO3') de la cámara anódica (313);
- concentrar, tal como por ósmosis inversa, la corriente acuosa extraída que comprende algo de carbonato de hidrógeno (HCO3') para proporcionar una corriente concentrada que comprende carbonato de hidrógeno (HCO3'); y
- hacer recircular la corriente concentrada que comprende carbonato de hidrógeno (HCO3') a la celda electrolítica (310).
6. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la depuración de los gases de combustión se realiza al menos en una primera etapa y en una segunda etapa, siendo alimentado el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado extraído de la cámara catódica (312), como un segundo líquido de depuración acuoso alcalino, a la segunda etapa de depuración, aguas abajo de la primera etapa de depuración, y en donde un segundo líquido de depuración usado, resultante de la segunda etapa de depuración, es alimentado, al menos en parte, como el primer líquido de depuración acuoso alcalino a la primera etapa de depuración aguas arriba de la segunda etapa de depuración, siendo el pH del segundo líquido de depuración acuoso alcalino más alto que el pH del primer líquido de depuración acuoso alcalino; siendo preferiblemente el pH del segundo líquido de depuración acuoso alcalino de 12 a 14 y siendo el pH del primer líquido de depuración acuoso alcalino de 8 a 10.
7. El método de acuerdo con la reivindicación 6, en donde:
- se mezcla el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado extraído de la cámara catódica (312) con una parte del segundo líquido de depuración usado para proporcionar el segundo líquido de depuración acuoso alcalino, de modo que el pH del segundo líquido de depuración acuoso alcalino es más bajo que el pH del líquido de depuración acuoso alcalino regenerado extraído de la cámara catódica (312); y/o
- se mezcla una parte del segundo líquido de depuración usado con una parte del primer líquido de depuración usado, resultantes de la primera etapa de depuración, para proporcionar el primer líquido de depuración acuoso alcalino, por lo que el pH del primer líquido de depuración acuoso alcalino es más alto que el pH del primer líquido de depuración usado.
8. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se hace recircular a la cámara catódica (312) una parte del líquido de depuración acuoso alcalino regenerado ; siendo diluido opcionalmente con una corriente acuosa el líquido de depuración acuoso alcalino regenerado antes de hacerlo recirculara la cámara catódica (312), proporcionándose preferentemente dicha corriente acuosa extrayendo de la cámara anódica (313) una corriente acuosa que todavía contiene algo de carbonato de hidrógeno (HCO3") y concentrándola, tal como por ósmosis inversa, para proporcionar una corriente acuosa empobrecida de carbonato de hidrógeno (HCO3") y una corriente concentrada que comprende carbonato de hidrógeno (HCO3");.
9. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se comprimen el dióxido de carbono (CO2) y/o el oxígeno (O2) extraídos de la cámara anódica (313) dando dióxido de carbono líquido y/u oxígeno (O2) comprimido.
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