Aplicación de la destilación criogénica para la captura de CO2 en motores de combustión interna con aire enriquecido en oxígeno

Abstract

[ES] Los gases de efecto invernadero, en concreto, las emisiones de CO2, han sido identificadas como una de las principales causas del cambio climático. Un problema causado por la actividad humana y agravado por la larga pervivencia en la atmosfera. Debido a la acción del hombre en sus sistemas de producción y consumo de energía desde la Revolución Industrial, la concentración de CO2, junto con el resto de los gases de efecto invernadero, crece de forma constante, aumentando así la temperatura terrestre. No obstante, el CO2, vinculado estrechamente a la utilización de combustibles fósiles como el carbón , el petróleo y el gas, es uno de los principales impulsores del calentamiento global. En consecuencia, la captura y almacenamiento de CO2 se ha convertido en una prioridad mundial para reducir su impacto ambiental. En este contexto, la tecnología de oxicombustión se ha identificado como un complemento de gran interés para los procesos de captura de CO2 en los procesos de combustión, ya que, al quemar el combustible con una mezcla de gases enriquecidos en oxígeno, se aumenta la concentración de CO2 en los gases de escape, facilitando así su separación y por tanto su captura. Una de las técnicas de capturas de CO2 existentes es la destilación criogénica, la cual utiliza bajas temperaturas para separar los componentes de una mezcla, en este caso, para separar el CO2 del resto de los gases de escape. Dado el contexto, el objetivo de este trabajo es llevar a cabo un estudio paramétrico del proceso de captura de CO2 utilizando la técnica de destilación criogénica frente a mezclas de gases de combustión con diferentes concentraciones de CO2 , optimizando este proceso de separación para las diferentes condiciones e identificando en cuales el proceso de separación por destilación criogénica resulta viable. A su vez, se analizará el proceso de captura y separación de O2 del aire mediante destilación, para obtener diferentes cantidades de aire enriquecido en O2 produciendo así diferentes concentraciones de CO2 en los gases de escape, vinculando este enriquecimiento de O2 en la corriente entrante de aire al motor con la cantidad de CO2 producido y a su vez con la eficacia de separación del CO2 en la destilación criogénica.

[CA] Els gasos d'efecte hivernacle, concretament, les emissions de CO2, han estat identificades com una de les principals causes del canvi climàtic. Un problema causat per l'activitat humana i agreujat per la llarga presència a l'atmosfera. A causa de l'acció de l'home en els seus sistemes de producció i consum d'energia des de la Revolució Industrial, la concentració de CO2, juntament amb la resta de gasos d'efecte hivernacle, creix de forma constant, augmentant així la temperatura terrestre. No obstant això, el CO2, estretament lligat a la utilització de combustibles fòssils com el carbó, el petroli i el gas, és un dels principals impulsors de l'escalfament global. En conseqüència, la captura i emmagatzematge de CO2 s'ha convertit en una prioritat mundial per a reduir el seu impacte ambiental. En aquest context, la tecnologia d'oxicombustió s'ha identificat com un complement de gran interès per als processos de captura de CO2 en els processos de combustió, ja que, en cremar el combustible amb una barreja de gasos enriquits amb oxigen, s'augmenta la concentració de CO2 en els gasos d'escapament, facilitant així la seva separació i, per tant, la seva captura. Una de les tècniques de captura de CO2 existents és la destil·lació criogènica, la qual utilitza baixes temperatures per a separar els components d'una barreja, en aquest cas, per a separar el CO2 de la resta de gasos d'escapament. Donat aquest context, l'objectiu d'aquest treball és dur a terme un estudi paramètric del procés de captura de CO2 utilitzant la tècnica de destil·lació criogènica enfront de barreges de gasos de combustió amb diferents concentracions de CO2, optimitzant aquest procés de separació per a les diferents condicions i identificant en quines el procés de separació per destil·lació criogènica resulta viable. A més, s'analitzarà el procés de captura i separació d' O2 de l'aire mitjançant destil·lació, per a obtenir diferents quantitats d'aire enriquit en O2 produint així diferents concentracions de CO2 en els gasos d'escapament, vinculant aquest enriquiment d'O2 en la corrent entrant d'aire al motor amb la quantitat de CO2 produït i, al seu torn, amb l'eficàcia de separació del CO2 en la destil·lació criogènica.

[EN] Greenhouse gases, specifically CO2 emissions, have been identified as one of the primary causes of climate change. This problem, caused by human activity and exacerbated by their long-lasting presence in the atmosphere, has been a pressing concern. Due to human actions in their energy production and consumption systems since the Industrial Revolution, the concentration of CO2, along with other greenhouse gases, has been steadily increasing, leading to a rise in global temperatures. However, CO2, closely linked to the use of fossil fuels such as coal, oil, and gas, stands out as a major driver of global warming. Consequently, the capture and storage of CO2 have become a global priority to mitigate its environmental impact. In this context, oxy-combustion technology has been identified as a highly interesting complement to CO2 capture processes during combustion. By burning fuel with a mixture of oxygen-enriched gases, it increases the concentration of CO2 in the exhaust gases, making its separation and capture more feasible. One of the existing CO2 capture techniques is cryogenic distillation, which uses low temperatures to separate components in a mixture, in this case, to separate CO2 from other exhaust gases. Given this background, the objective of this work is to conduct a parametric study of the CO2 capture process using cryogenic distillation in comparison to combustion gas mixtures with varying CO2 concentrations. The aim is to optimize this separation process under different conditions and identify when cryogenic distillation is a viable separation method. Additionally, we will analyze the capture and separation of O2 from air through distillation to obtain different quantities of oxygen-enriched air, resulting in varying CO2 concentrations in exhaust gases. This enrichment of O2 in the incoming air stream will be linked to the amount of CO2 produced and, in turn, to the efficiency of CO2 separation in cryogenic distillation.