Impacto ambiental y tecnológico del mercurio en los procesos de oxicombustión del carbón
- Autores: Nuria Fernandez Miranda
- Directores de la Tesis: Maria Rosa Martínez Tarazona (dir. tes.), M. A. López Antón (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Oviedo ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jorge Loredo Pérez (presid.), Nieves Roqueñí Gutiérrez (presid.), Susana García (secret.), Manuel Ojeda Rodríguez (secret.), María Luisa Contreras Rodríguez (voc.), Alberto Bahillo Ruiz (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: RUO
- Resumen
Aunque resulta incuestionable que la energía ha permitido el desarrollo económico y social de la población, el aumento de la demanda energética ha provocado un incremento significativo de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) que han derivado en importantes modificaciones climáticas con consecuencias generalizadas a nivel global. De todos los GEI, el CO2 es considerado como el mayoritario, debido a su tendencia al alza ligada a la generación de energía eléctrica a partir de carbón. Entre las opciones disponibles para alcanzar un sistema energético más sostenible y reducir las emisiones de CO2, las tecnologías de captura, transporte y almacenamiento de CO2 (CAC), y en concreto, los procesos de oxicombustión con captura de CO2, se han posicionado como una de las alternativas más prometedoras, no sólo por su versatilidad a la hora de aplicarlos a sistemas ya existentes de combustión convencional, sino por su alto grado de desarrollo. A pesar de ello, los procesos de oxicombustión deben aún superar importantes desafíos ambientales y tecnológicos para su implantación a escala industrial. De todos ellos, uno de los más destacados es la falta de conocimiento acerca del comportamiento e implicaciones de la presencia de mercurio durante las etapas de captura y purificación del CO2. El cambio en la composición gaseosa debido a la recirculación parcial de los gases y a la inyección de O2 como comburente, puede alterar la especiación de mercurio modificando la capacidad de retención de los sistemas de depuración de gases. Aunque desde un punto de vista cualitativo los problemas ambientales derivados de la presencia de mercurio en la corriente gaseosa y en los subproductos generados durante los procesos de oxicombustión son similares a aquellos existentes en las plantas de combustión convencional, la presencia de cantidades traza de Hg0 puede dar lugar a importantes problemas operacionales durante la compresión de CO2 al acumularse éste en cantidades suficientes como para causar importantes daños en los intercambiadores criogénicos de aluminio.
En vista de la complejidad e importancia del mercurio en estos procesos, el objetivo de este trabajo ha sido, por una parte, determinar el comportamiento del mercurio en los principales sistemas de limpieza de gases presentes en las centrales térmicas de producción de energía y, por otra parte, evaluar la posibilidad de retener el Hg0 persistente empleando un sorbente regenerable al final de ciclo en un proceso de oxicombustión. Además también se plantea analizar el efecto que la presencia de mercurio tiene sobre la capacidad de retención de CO2 en sorbentes sólidos diseñados específicamente para la retención de CO2.
Para ello se pusieron a punto varios dispositivos experimentales a escala de laboratorio en los que se simularon las composiciones gaseosas y las condiciones operacionales de los procesos de oxicombustión para determinar la oxidación y posible retención del mercurio en los sistemas de reducción catalítica de NOx (SCR), en los dispositivos de retención de cenizas volantes y en los sistemas de desulfuración en húmedo (WFGD). Asimismo, se diseñó un dispositivo experimental mediante el que se evaluó la retención de Hg0 en un sorbente carbonoso regenerable impregnado con oro y donde se analizó la influencia del mercurio sobre la capacidad de retención de CO2 de varios sorbentes utilizados para la captura de CO2.
Los resultados obtenidos demostraron la relevante influencia de la composición gaseosa en la especiación de mercurio. Su oxidación homogénea está condicionada por la presencia de NO y NO2, cuya capacidad para promover la formación de Hg2+ depende de la concentración de CO2, y por la elevada cantidad de H2O, característica de las atmósferas de oxicombustión, que favorece la formación de mercurio oxidado.
La evaluación de la capacidad de oxidación de mercurio en los sistemas SCR mostró un elevado grado de oxidación cuando la atmósfera empleada está enriquecida en CO2. En cuanto a la retención de mercurio sobre los catalizadores, la presencia de elevadas concentraciones de H2O y CO2 disminuyeron el número de centros activos disponibles para la adsorción de Hg.
En condiciones de oxicombustión, la presencia de cenizas volantes favoreció la oxidación del mercurio, si bien su retención sólo ocurrió cuando existe una elevada concentración de materia orgánica. Las principales especies identificadas en las cenizas fueron mercurio unido a la materia orgánica (Hg-OM) y HgS, cuya estabilidad en agua confirmó su bajo grado de lixiviación.
La composición de la corriente gaseosa afectó significativamente a la re-emisión de Hg0 en los sistemas WFGD. Las elevadas concentraciones de CO2 producidas en los procesos de oxicombustión reducen el pH de la lechada de yeso y disminuyen la re-emisión de mercurio elemental. La retención de mercurio en estos sistemas se produjo principalmente en la fracción líquida en forma de Hg2+, aunque las características y composición de las calizas empleadas modificaron significativamente el reparto del mercurio en los subproductos del scrubber.
El sorbente desarrollado, basado en un suporte carbonoso impregnado con nanopartículas de oro, demostró una eficiencia del 100% en la captura de mercurio elemental a final de ciclo en condiciones de oxicombustión. La presencia de SO2 y HCl en la corriente gaseosa no sólo no tuvo efectos negativos en el sorbente sino que mejoró su capacidad de retención.
La presencia de Hg0 disminuyó la capacidad de retención de los sorbentes diseñados para la captura de CO2 sugiriendo la existencia de relaciones de competencia entre el CO2 y el mercurio por los mismos centros activos, especialmente en aquellos sorbentes con mayor volumen de microporos.
