The calcium-looping process for advancing in the development of both C02 capture and thermochemical energy storage systems.

Abstract

The Calcium-Looping process is based on the multicycle calcination-carbonation of calcium carbonate, which is one of the most abundant materials in the Earth. The process shows promising results facing to solve two of the main challenges within the future energy scenario: CO2 capture from fossil fuel combustion processes and energy storage in renewable-based plants. This thesis is focused in the assessment of the Calcium-Looping allowing a better understanding of the process integration for both applications. Post-combustion CO2 capture based on Calcium-Looping process consist of reacting the CO2 present in the flue gas exiting the fuel power plant with CaO particles according the carbonation reaction, which produces solid CaCO3 as product. CO2 capture efficiencies over 90% have been proved at MWth pilot-scale. After carbonation, solids are sent to a separated reactor where CaO is regenerated according the endothermic calcination reaction. The heat to carry out the reaction is provided by fuel oxy-fuel combustion to ensure a pure CO2 stream exiting the reactor, which after a purification process is ready to be stored or used in another process. The regenerated CaO is sent again to the carbonator reactor for a new CO2 capture cycle. On the other hand, by integrating the Calcium-Looping as thermochemical energy storage system in solar thermal power plants, the process starts performing the calcination reaction from concentrated solar power. CO2 and CaO streams produced are stored separately for later use. When energy is demanded, both components are brought together to the carbonator where the stored energy is released by the carbonation reaction. The carbonation is highly exothermic and therefore a proper integration of the heat released (i.e. for power production) is fundamental for the process efficiency. In spite that both applications are based on the same process, the specific operation conditions required leads to a different behaviour which suggest that the process must be analysed in detail according to each application. This thesis is focused on the development of models and process integration schemes based on lab-scale results under specific conditions selected from the analysis of the potential industrial scale implementation. It involves a multidisciplinary approach combining chemical reactions and process engineering to advance in the response of the challenges posed. This document is structured as follow: the first section introduces the reader to the Calcium- Looping applications, stressing the research opportunities that have motivated the present thesis. This leads to the formulation of the objectives of the work, which are addressed in the presentation and the discussion of the main results of the work. After the conclusions, new research lines to be faced in the near future are summarized.

El proceso de Calcium-Looping se basa en la reacción multicíclica de calcinación-carbonatación del carbonato de calcio, el cual es uno de los materiales más abundantes de la tierra. El proceso muestra resultados prometedores para su aplicación como sistema de captura de CO2 poscombustión, así como usado en sistemas de almacenamiento termoquímico de energía en plantas renovables. La presente tesis está enfocada en el análisis del proceso de Calcium-Looping avanzando en la integración del proceso para ambas aplicaciones. La captura de CO2 poscombustión basada en Calcium-Looping consiste en hacer reaccionar el CO2 presente en los gases de combustión de una planta de potencia con partículas de CaO de acuerdo a la reacción de carbonatación, la cual produce CaCO3 como producto. Eficiencias de captura superiores al 90% han sido demostradas a escala piloto. Después de la carbonatación, los sólidos son enviados a otro reactor donde el CaO es regenerado mediante la reacción de endotérmica de calcinación. El calor necesario para llevar a cabo la reacción es obtenido mediante oxicombustión para asegurar una corriente de CO2 pura al a salida del reactor, la cual después de un proceso de purificación está lista para ser almacenada o usada en oro proceso. El CaO regenerado se envía de nuevo al reactor de carbonatación para un nuevo ciclo de captura. Por otro lado, integrando el proceso de Calcium-Looping como sistema de almacenamiento termoquímico de energía en planas termosolares, el proceso comienza llevando a cabo la reacción de calcinación a partir de energía solar concentrada. Como consecuencia de la reacción, CO2 and CaO son producidos y almacenados por separados para su posterior uso. Cuando es necesaria la producción de energía, ambos productos de la calcinación son llevados a un nuevo reactor donde la energía solar almacenada es liberada mediante la reacción de carbonatación. Esta reacción es altamente exotérmica por lo que una adecuada integración del calor liberado es fundamental para la eficiencia del proceso. A pesar de que ambas aplicaciones están basadas en el mismo proceso, las condiciones específicas requeridas llevan a un comportamiento diferente, lo que sugiere que el proceso debe ser analizado en detalle de acuerdo a cada aplicación. Esta tesis se centra en el desarrollo de modelos y esquemas de integración de procesos basados en resultados a escala laboratorio obtenidos a partir de condiciones que simularían la implementación del proceso a escala industrial. Esto conlleva un enfoque multidisciplinar que combina reacciones químicas e ingeniería de procesos para avanzar en la respuesta a los retos planteados.