resultados pruebas planta piloto de captura de co 2 y ... · rich h2 gas lp steam y 40 % 60 % lp...

1

Francisco García PeñaDirector de Ingeniería e IDi

Puertollano, 6 de Junio de 2011

Día Mundial del Medio Ambiente

Resultados pruebas Planta Piloto de

Captura de CO2 y producción de H2

2

ÍNDICE

1. Presentación del proyecto

2. Lecciones aprendidas y presupuesto final

1. Pruebas r ealizadas

3. Pruebas realizadas hasta la fecha

4. Costes

5. Conclusiones

3

ÍNDICE





4. Costes

5. Conclusiones

4

Compañía ELCOGAS, S.A.

Ubicación Central Térmica GICC Puertollano

Gas alimento Gas de carbón a 20-24 bar

Tamaño 14 MWt (2% del gas total producido en la planta GICC)

Tecnología de captura Precombustión. Captura > 90%. No está previsto almacenamiento

de CO2.

Presupuesto Construcción y Puesta en Marcha: 13,5 M€

Marco PSE, cofinanciado por el MICINN y JCCM

Inicio 2005

Puesta en servicio Octubre 2010

Planta Piloto de Captura de CO2 y Producción de H2. Hechos

Consejería de Educación, Ciencia y Cultura


5

Planta Piloto de Captura de CO2 y Producción de H2. Diagrama de bloques

CICLO COMBINADO

CARBÓN + COQUE

GASIFICACIÓN

Gas bruto SISTEMA

FILTRACIÓN

Gas limpioPURIFICACIÓN

Y DESULFURACIÓN

2% del flujo total (3,600 Nm3/h)

22.6 bar130ºC

60.5 %CO22.1% H2

Gas de cola1,3 bar

Vapor MPREACTOR SHIFT

CO2

SEPARACIÓN CO2 (Química, aMDEA)

183,000 Nm3/h

100 t/d

CO + H2O → CO2 + H2

H2 bruto (80% de pureza)

40%

Gas enriquecido en H2

37,5 % CO250,0 % H23,0 % CO

DEPURACIÓNHIDRÓGENO(UNIDAD PSA)

Compresor reciclo

H2 puro (2 t/d)

99,99% H2 a 15 bar

DULCE/ÁCIDO

+H2S


6

Vista 3D

Vista general actual

Planta Piloto de Captura de CO2 y Producción de H2. Construcción


77

Shifting unit (design data for sweet capture)

Coal gas

IP saturated steam to feed

N2 (start-up)

IP steam

Desulphuration

reactor Shifting rectors

General view of Shifting Unit

Flow

kg/hP

barT

ºCCO

%H2

%CO2

%H2O

%

Coal gas 3,677 19.8 126 60.45 21.95 2.66 0.29

Shifted gas to

separation unit 8,732 17.3 274 1.68 28.37 21.34 43.26

IP saturated

steam to feed 5,055 34.0 243 0.0 0.0 0.0 100

Pilot plant diagram process (I)

Pre-heater

SHIFTED GAS TO SEPARATION UNIT

88

Separation unit

(design data for sweet capture)

Flow

kg/hP

barT

ºCCO

%H2

%CO2

%H2O

%

Shifted gas to

absorber 5,318 15.9 45 2.9 49.7 37.3 0.7

Processcondensated 3,414 15.9 45 0.0 0.0 0.0 100

CO2 product 4,185 1.5 40 0 0.18 95.32 4.47

H2 to PSA 481.7 15.2 40 4.63 79.37 0.5 0.48

Rich H2 gas 1,190.1 15.6 40 4.63 79.37 0.5 0.48

LP Steam toreboiler 4,763 4.1 144 0.0 0.0 0.0 100

General view of

Separation Unit

Pilot plant diagram process (II)

YCO2 product

Rich H2 gas

LP steam

Y40 %

60 %

LP steam to reboiler

H2 to PSA

From shifting

unit

Cooling stage

Absorber

CO2

Stripper

CO2

separator

Syngas

separator

Cond. Separator

Process

Cond.

Shifted

gas

99

PSA unit (design data for sweet capture)

General view of PSA unit

FlowNm3/h

Pbar

TºC

CO%

H2

%CO2

%

H2 from separationunit 1,431 15.2 40 4.63 79.37 0.5

H2 product 795 14.7 43 0.0004 99.99 0.0001

Tail gas 636 1.3 35.9 10.42 53.58 1.13

Rich H2 gas (40 % flow)

Tail gas

H2 product

Adsorbers

H2 from

separation unit

Tail gas drum

Pilot plant diagram process (III)

10

Principales hitos de la planta piloto

Dic 2008

Ago 2009

May 2010

Ago 2010

13 Sept 2010

Oct 2010

Nov 2010

Feb 2011

Abril-Junio 2011

Permiso inicio construcción

Inicio montaje mecánico

Inicio puesta en marcha

Permiso de puesta en servicio concedido

1ª tonelada CO2 capturada

Fin puesta en marcha

Superada prueba continuada de 100 horas con gas dulce

Finalizada etapa de caracterización con gas dulce

2ª etapa pruebas caracterización con gas ácido

Planta Piloto de Captura de CO2 y Producción de H2. Principales hitos


11


12

ÍNDICE





4. Costes

5. Conclusiones

13

Principales dificultades/aprendizaje en fase de proyecto:

• Retraso en la financiación: MICINN y la JCCM.

• Tiempo de entrega de los equipo principales: 12 - 14 meses.

• Ingeniería de detalle: Condicionada por los suministradores.

• Construcción: Retrasada por los permisos de seguridad (planta ubicada en una

planta en funcionamiento).

• Puesta en marcha: Escasa disponibilidad de personal experimentado.

Proyecto PSE-CO2

PRESUPUESTO TOTAL PROYECTO PP CO2 H2 ACTUALIZADO AL AÑO (K€ del año presupuestado)

13.000 13.000 13.000

7.004

8.441 8.300 8.173

1.088

2.383

4.0104.875 5.156

521 531

542

693

833

877 877547 535

521

514

509

508 508

241 235

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

EQUIPOS SERVICIOS PERSONAL OTROS

Distribución delpresupuesto

anual de la planta piloto


14

ÍNDICE





4. Costes

5. Conclusiones

15

Planta piloto captura CO2 y co-producción H2. Pruebas

� Realizadas pruebas con gas dulce (modo de operación de diseño de la instalación)

� Objeto: caracterización del comportamiento de cada unidad por separado

� Planteamiento: Partiendo de unas condiciones de referencia, modificar un parámetro de forma

controlada, volver a las condiciones de referencia, y repetir para otros parámetros

� 700 toneladas de CO2 capturado y 6 toneladas de H2 puro producido hasta la fecha


Dulce 1

Caracterización de la unidad de purificación de

H2 con gas dulce

Dulce 2

Caracterización de la unidad de separación de

CO2 e H2 (lavado de aminas) con gas dulce

Dulce 3

Caracterización de la unidad de reacción gas-agua con gas dulce

Inicio Prueba Dulce 2

16

El diseño de pruebas, la operación de la planta y la elaboración de informes está siendo realizada por nueve ingenieras químicas contratadas por la UCLM

Planta Piloto de Captura de CO2 y Producción de H2. Colaboración con UCLM

COLABORACICOLABORACIÓÓN CON UCLMN CON UCLM


17


Dulce 1

Caracterización de la unidad de purificación de H2 con gas dulce

Parámetros

[1]: presión del H2 puro o producto

[2]: presión del gas de cola

[3]: temperatura de entrada a la unidad

[4]: factor de operación

[5]: caudal de entrada a la unidad

Variables de operación

1): tiempo de ciclo

2): pureza del H2 producto

3): tasa de recuperación de H2

Parámetros

[1]: presión de H2 bruto

[2]: temperatura de desorción

[3]: temperatura de aspiración de bombas

[4]: temperatura de gas de entrada a la unidad de separación

[5]: caudal de entrada a la unidad de separación

[6]: caudal de circulación de las bombas

[7]: presión de desorción

[8] composición del gas de entrada a la unidad de separación


1): eficacia absorción de la disolución de aminas

2): energía requerida en regeneración de la amina

Dulce 2

Caracterización de la unidad de separación de CO2 e H2 (lavado de

aminas) con gas dulce

Dulce 3

Caracterización de la unidad de reacción gas-agua con gas dulce

Parámetros

[1]: ratio vapor/gas alimentado a la reacción

[2]: presión de trabajo de la unidad

[3]: composición del gas de entrada a la unidad

[4]: temperatura de entrada al primer reactor


1): temperatura en el lecho del primer reactor, y a la salida del mismo

2): conversión total alcanzada en los dos reactores

14

18


Arranque y control de la unidad:

Facilidad de operación por la integración en GICC. Disponibilidad red nitrógeno.

19


41

41,5

42

42,5

43

43,5

44

1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

ratio vapor/gas

Co

mp

osi

ció

n C

O2 (

%)

95

95,2

95,4

95,6

95,8

96

96,2

96,4

96,6

96,8

97

97,2

XC

O t

ota

l (%

)

Composición CO2 XCO total (%)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

75 80 85 90 95 100 105 110

T desorción (ºC)

% F

ug

a C

O2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

% F

ug

a H

2

Fuga CO2 Fuga H2

Reacción gas-agua (shifting):

¡El grado de conversión es una

variable a considerar!

Separación CO2-H2:

La temperatura de desorción es

optimizable

20


UNIDAD SHIFTING CONVERSIÓN / TEMPERATURA (DULCE)

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

300 350 400 450 500 550 600

Temperature(ºC)

CO (%)

Johnson Matthey Selection High temperature Fresh Potential (Johnson Matthey ) Potential (High temperature)

20/01/11 17:24-28:35

JM simulation (01/10/10)

Real values(SWEET3 test)

JM - Fresh catalyst

PRIMER REACTOR

SEGUNDO REACTOR

GENERADOR DE VAPOR

La conversión alcanzada es muy similar a la teórica, aunque la temperatura de salida del reactor es más alta

La alta conversión obtenida en el primer reactor (cerca del 95%) haráconsiderar la utilización de un solo reactor en el proceso de shifting.

La temperatura de entrada al segundo reactor es más alta de lo esperada

21


Comparativa energComparativa energéética disetica diseñño o vsvs real (1real (1asas PruebasPruebas--Dulce)Dulce)

0,79 MWh/tn CO20,88 MWh/tn CO2Ratio Vapor/CO2 producido7

2,852,88Ratio molar vapor/CO4

71,2 %

99,9 %

1,37

75,3 %

88,6 %

Diseño

69,9 %

96,9 %

1,42

73,1 %

88,0 %

Real

η térmico aminas6

C.G.E aminas

Aminas

5

Ratio vapor/gas3

η térmico shifting2

C.G.E shifting

Shifting

1

Parámetro operación

91,7 %

60,2 %

88,5 %

90,6 %

57,2 %

85,3 %

Tasa recuperación CO210

η térmico s+a9

C.G.E s+a

Global(shifting+aminas)

8

22

ÍNDICE





4. Costes

5. Conclusiones

23

Comparación costes de captura de CO2

1) Escalado al 100% del gas de síntesis de la GICC Puertollano a partir de la planta piloto de 14MWt.

2) Coste de captura de plantas existentes = f (costes de inversión + costes fijos + costes variables de O&M)

3) Las primeras estimaciones de ELCOGAS ofrecen valores de 25-30 €/ t CO2

4) Comparación con otros estudios

emitida no COt

captura de planta laañadir de CosteCO€/t emitido, no CO Coste

2

22 =

Fuente: DOE/NETL CCS RD&D ROADMAP December 2010


30 forELCOGAS

retrofit

24

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37

eficiencia planta GICC con captura de CO2, %

cost

es C

O2,

€/t

CO

2

3.000 h

3.500 h

4.000 h

4.500 h

5.000 h

5.500 h

6.000 h

6.500 h

7.000 h

7.500 h

Costes Captura CO2 (DULCE)


100 %Gas tratado

33 %Eficiencia neta de la planta con captura

40 €/MWhPrecio de la electricidad

0.92 Factor de carga media al año

6,500 hHoras de funcionamiento en modo GICC

0.75Factor de escala

0.5 %Margen del banco

3.0 %Euribor

25 Años de vida útil

Data Variables

100 %Gas tratado

33 %Eficiencia neta de la planta con captura

40 €/MWhPrecio de la electricidad

0.92 Factor de carga media al año

6,500 hHoras de funcionamiento en modo GICC

0.75Factor de escala

0.5 %Margen del banco

3.0 %Euribor

25 Años de vida útil

Data VariablesEstimación de costes en escalado a

1:1 añadiéndolo a GICC existente

25

0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150€/MWh

€/K

g

60.000

Kg/y

720h

120.000 Kg/y

1440 h

180.000 Kg/y

2160 h

420.000 Kg/y

5040 h

90.000 Kg/y

1080 h

Mejor vender H2

Mejor vender electricidad

Mínimo precio de H2 por coste fijo de producción (personal externo y repuestos) dependiendo de las horas de producción anual.

Mínimo precio del H2 puro en función del precio de la electricidad


26

ÍNDICE





4. Conclusiones

27

4. Conclusiones

� Costes de inversión muy optimizados >> Menores costes de captura que otras opciones

� Pruebas realizadas con éxito. Fácil integración. Puntos de optimización claros

� Shifting: posibilidad de utilizar un único reactor (95 % conversión)

� Aminas: responde a lo esperado. Hay margen de optimización

� PSA: muy estable

� Pruebas gas ácido previstas: 6-10 Junio

A partir de junio 2011: Plataforma versatil para

Investigación, demostración e innovación

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Francisco García PeñaDirector de Ingeniería e IDi

Puertollano, 6 de Junio de 2011

Día Mundial del Medio Ambiente

Resultados pruebas Planta Piloto de

Captura de CO2 y producción de H2

resultados pruebas planta piloto de captura de co 2 y ... · rich h2 gas lp steam y 40 % 60 % lp...

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