Assessment of highly turbocharged oxygen production cycles coupled with power generation systems working under oxycombustion

Abstract

[ES] Esta tesis evalúa ciclos de producción de oxígeno que usan membranas en tres contextos industriales, enfatizando en la producción de potencia operando bajo oxicombustión. La principal motivación es reducir las emisiones contaminantes sin afectar el desempeño del sistema. Se ha realizado un análisis termoeconómico de un ciclo de producción de oxígeno basado en membranas para evaluar la viabilidad de estas instalaciones en una planta de cerámica. El ciclo se impulsa por gases reciclados de la planta y usa turbogrupos e intercambiadores de calor para comprimir y calentar el aire para extraer su oxígeno.

Dos configuraciones han sido estudiadas, encontrándose un costo óptimo de producción de 31e/t, competitivo cuando se considera un precio medio de mercado de 50e/t. Comparado con otros métodos de producción de oxígeno, este ciclo es competitivo en lo que respecta a la pureza y producción del oxígeno y el consumo energético. Esto motivó el estudio de configuraciones similares operando en dos contextos de generación de potencia que usan con oxicombustión: una planta de generación eléctrica y un motor de encendido provocado.

En el primer contexto, se compara el desempeño de dos métodos de producción de oxígeno, operando en una planta de generación eléctrica (Ciclo Graz), que usa separación criogénica de aire como fuente de oxígeno, siendo el caso base del análisis. Se consideran dos configuraciones de membrana: de tres y cuatro entradas, cuya fuente de energía es un flujo de temperatura media dentro del ciclo de potencia.

La configuración con una membrana de tres entradas mejora la eficiencia del caso base en un 0.61 %, y la de cuatro entradas en un 2.3 %. La producción de oxígeno requiere un menor consumo energético que en el caso base en las configuraciones de membrana, aumentando la salida de potencia neta del caso base. Por tanto, la producción de oxígeno con membranas muestra un desempeño prometedor, con una posible integración con una planta de producción de potencia que trabaja con oxicombustión.

En el segundo contexto, el ciclo de membrana se acopla a un motor de encendido provocado. Distintas condiciones de operación son evaluadas en términos del consumo de combustible y disponibilidad de energía para la producción de oxígeno. La fuente de energía del ciclo de membrana es el flujo de gases de escape del motor.

Primeramente, distintas concentraciones de oxígeno y relaciones de compresión del motor son estudiadas a un régimen medio, comparando el desempeño con la operación convencional del motor. Una concentración media (30 %) fue hallada como óptima en el estudio, cuyas condiciones de operación permiten un aumento considerable de la relación de compresión del motor.

En segundo lugar, se realiza un estudio de plena carga del motor en un rango amplio de regímenes de giro del motor. El motor de oxicombustión alcanza una operación sostenible en los regímenes estudiados, alcanzando los valores de referencia de plena carga. Se han obtenido consumos de combustible similares al caso convencional más eficiente cuando la relación de compresión es elevada en el caso de oxicombustión.

En tercer lugar, se han encontrado límites operativos en cargas parciales y altitud. La tendencia de consumo de combustible del caso con oxicombustión es similar a un motor convencional sobrealimentado a cargas parciales, mejorando el desempeño de un motor de aspiración natural. La menor carga alcanzable esta entre 40-50% de la máxima carga, dependiendo de la relación de compresión del motor. Por otro lado, el sistema muestra un desempeño adecuado hasta los 4000 m de altitud.

Se concluye que el ciclo de producción de oxígeno basado en membranas de separación de aire muestra flexibilidad para operar en un amplio rango de energía disponible, mostrando un desempeño adecuado de acuerdo con los requerimientos del sistema. Adicionalmente, se encuentran posibles ventajas en cuanto al consumo de energía y costos operativos realizando un diseño cuidadoso.

[CA] Aquesta tesi avalua cicles de producció d'oxigen que usen membranes en tres contextos industrials, emfatitzant en la producció de potencia operant amb oxicombustió. La principal motivació es reduir les emissions contaminants sense afectar el funcionament del sistema.S'ha realitzat una anàlisi termoeconómico d'un cicle de producció d'oxigen basat en membranes per a avaluar la viabilitat d'aquestes instal·lacions en una planta de ceràmica. El cicle s'impulsa per gasos reciclats de la planta i usa turbogrupos i intercanviadors de calor per a comprimir i calfar l'aire per a extraure el seu oxigen.

Dues configuracions han sigut estudiades i s'ha trobat un cost òptim de producció d'oxigen de 31e/t, que es competitiu quan es considera un preu de mercat de 50e/t. Comparat amb altres mètodes de producció d'oxigen, aquest cicle mostra un comportament competitiu pel que fa a puresa d'oxigen, producció i consum energètic. Això va motivar l'estudi de configuracions similars operant en dos contexts diferents de generació de potencia que operen amb oxicombustió: una planta de generació elèctrica i un motor d'encesa provocada.En el primer context, s'ha comparat el funcionament de dos mètodes de producció d'oxigen diferents, operant amb una planta de generació elèctrica (cicle Graz), que usa separació criogènica d'aire com a font d'oxigen, sent el cas base de l'anàlisi. S'han considerat dues configuracions de membrana: de tres i quatre entrades, la font d'energia de les quals és un flux de temperatura mitjana dins del cicle de potència.

La configuració amb una membrana de tres entrades millora l'eficiència del cas base amb un 0.61 %, mentre que la de quatre entrades comporta una millora d'un 2.3 %. La producció d'oxigen requerix menys consum energètic que en el cas base en les dues configuracions de membrana, augmentant l'eixida de potencia neta del cas base. Per tant, la producció d'oxigen amb membranes mostra un funcionament prometedor, amb una possible integració amb una planta de producció de potencia que treballa amb oxicombustió.En el segon context, el cicle de membrana s'acobla a un motor d'encesa provocada. Diferents condicions d'operació han sigut avaluades en termes de consum de combustible i disponibilitat d'energia per a la producció d'oxigen. La font d'energia per a la producció d'oxigen es el flux de gasos d'escapament del motor.

Primerament, diferents concentracions d'oxigen i relacions de compressió del motor han sigut estudiades a un regim mitja, comparant el funcionament amb el d'un motor convencional. Una concentració mitjana (30%) va ser trobada com a òptima en l'estudi, les condicions d'operació del qual permeten un augment considerable de la relació de compressió del motor. En segon lloc, s'ha realitzat un estudi a plena carrega del motor en un rang ampli de règims de gir del motor. El motor d'oxicombustió aconseguix una operació sostenible en els règims estudiats, aplegant als valors de referencia a plena carrega. S'han obtingut consums de combustible similars al cas d'operació convencional mes eficient quan la relació de compressió es elevada en el cas d'oxicombustió.En tercer lloc, s'han trobat límits operatius referents a l'operació a carregues parcials i altitud. La tendència de consum de combustible del cas amb oxicombustió es similar a la d'un motor convencional sobrealimentat a carregues parcials, mentre que millora el funcionament d'un motor d'aspiració natural. La menor carrega assolible esta entre 40-50% de la màxima carrega, depenent de la relació de compressió del motor. Per una altra banda, el sistema mostra un funcionament adequat fins als 4000m d'altitud.

Es pot dir que el cicle de producció d'oxigen basat en membranes de separació d'aire mostra flexibilitat per a operar en un rang ampli d'energia disponible, mostrant un funcionament adequat d'acord amb els requeriments del sistema. Addicionalment, es poden trobar posibles avantatges en consum d'energia i costs operatius realitzant un disseny cuidadós.

[EN] This thesis assesses oxygen production cycles based on membranes in three industrial situations, emphasizing power production operating under oxycombustion. The primary motivation is the reduction of pollutant emissions while not affecting the system's thermal efficiency.Thus, a thermoeconomic analysis of a membrane-based oxygen production cycle is performed to assess the viability of these facilities in the context of a ceramic plant. The cycle is driven by recycling gases within the plant and uses turbochargers and heat exchangers to compress and heat the air for oxygen obtention.

Two configurations were studied, finding an optimum oxygen production cost of 31e/t was found, being competitive when compared with an average wholesale market price of 50e/t. Compared with other oxygen production methods, this cycle exhibits a competitive behavior regarding oxygen purity, production, and energy consumption. The promising results of this analysis motivate the study of similar configurations working in two oxycombustion contexts: a power plant and a spark-ignition engine. Two oxygen production methods operating with a power production plant (Graz cycle) are compared in the first context. The power plant uses cryogenic air separation as its oxygen source, the baseline in this analysis.

Therefore, two membrane configurations are considered: three-end and four-end membranes. A medium-temperature stream within the power production cycle is the energy source to drive the membrane cycles. Both cases are compared with the baseline Graz cycle operation. The three-end membrane-based cycle improves the baseline efficiency by 0.61% and the four-end by 2.30 %. The oxygen production requires less power consumption in the membrane cases than in the baseline, increasing the net power output. Thus, membrane-based cases display a promising performance, with possible integration within an oxycombustion power plant.

In the second context, the membrane-based cycle is coupled within an oxycombustion spark-ignition engine, where different operation conditions are evaluated regarding fuel consumption and energy availability for oxygen production. The energy source to drive the membrane-based cycle is the exhaust gases stream. As a first step, different oxygen concentrations and engine compression ratios are studied at medium speed, comparing the performance with the engine's conventional operation. Medium oxygen concentration (30 %) was found to be optimum. This concentration allows the operation at a high engine compression ratio. Secondly, a full-load study in a wide range of engine speeds is made.

The oxycombustion engine achieves a sustainable operation at the studied speeds, reaching the reference full-load power values. Similar fuel consumptions regarding the most efficient conventional case are achieved when the engine compression ratio is elevated under oxycombustion. Thirdly, operative limits regarding part-load and altitude operation are found. The fuel consumption behavior of the oxycombustion case is similar to a conventional turbocharged engine at part-load while improving a naturally aspirated engine operation. The minimum achievable load is between 40 to 50% of the maximum load, depending on the engine compression ratio. The membrane cycle operation is affected at lower loads. On the other hand, the system shows a suitable performance up to 4000 m. Thus, it can be concluded that the membrane-based oxygen production cycle exhibits flexibility to work in a wide range of available energy, displaying a suitable performance according to the requirements. Additionally, possible advantages in energy consumption and operative costs could be found when a careful design is performed.