Producción de H2 con captura de CO2 por reformado de CH4 integrado con un sistema chemical-looping combustion

Abstract

El proceso Steam Reforming (SR) es la tecnología más usada hoy en día para producir H2 a partir de CH4 a gran escala, y parece ser que lo seguirá siendo en los próximos años. El principal inconveniente de este proceso es la emisión de CO2 procedente de la combustión de gases combustibles en un horno con el fin de suministrar calor a las reacciones endotérmicas de reformado. Con el fin de mejorar este proceso debería buscarse una forma de proporcionar calor a las reacciones de reformado sin la necesidad de incorporar un sistema de separación de CO2 externo, es decir, buscar una forma de quemar combustible con separación de CO2 inherente. Por ello se ha propuesto en la presente tesis doctoral la integración del sistema convencional SR con un sistema Chemical Looping Combustion, (CLC) actuando esta último como fuente de calor para las reacciones endotérmicas de reformado. En esta tesis se desarrollaron, caracterizaron y evaluaron en una planta en continuo de CLC diferentes transportadores de oxígeno (TO) basados en Fe, tanto sintéticos como naturales de bajo coste, para su uso en un proceso SR-CLC. A su vez, también se llevó a cabo la optimización energética del proceso SR-CLC, con el fin de maximizar la producción de H2, usando TOs de hierro. Inicialmente se desarrolló un transportador sintético de base Fe, La preparación del mismo tuvo lugar por impregnación húmeda incipiente sobre un soporte comercial de alúmina y posterior calcinación. El transportador fue caracterizado textural y estructuralmente, así como por termogravimetría (TGA) y en lecho fluidizado discontinuo. Por último se estudió su comportamiento en la planta CLC en continuo para la combustión de CH4 y PSA-offgas. Los resultados obtenidos con el transportador de hierro se compararon con los obtenidos con mezclas físicas y químicas de óxidos de Fe y Ni. Primero se desarrollaron y caracterizaron transportadores bimetálicos Fe-Ni, obtenidos por impregnación húmeda incipiente, con ambos metales soportados sobre la misma partícula de alúmina (mezcla química). Los transportadores fueron caracterizados textural y estructuralmente, así como en TGA y en lecho fluidizado discontinuo. Una vez caracterizados, aquel transportador bimetálico que mostró mejores resultados fue probado en la instalación 2 semipiloto CLC en continuo. La adición física de níquel se llevó a cabo añadiendo un transportador de níquel sobre un lecho de partículas del transportador sintético de hierro, quedando ambos metales soportados sobre partículas distintas. La mezcla física se probó en la planta semipiloto CLC en continuo de 500 Wt.

Por último se determinaron las condiciones óptimas de funcionamiento del proceso SRCLC con el fin de maximizar la producción de H2, trabajando con un TO de hierro. Para ello se realizaron balances de masa y energía al sistema SR-CLC. En primer lugar se realizó un estudio variando dos parámetros externos al sistema CLC. Una vez determinadas las mejores condiciones de operación, es decir, aquellas que maximizaban la producción de hidrógeno, se procedió al estudio del efecto de dos variables internas del proceso CLC. Además, se estudió el efecto de utilizar Al2O3 como soporte, que permite la formación del compuesto FeO·Al2O3 como producto en la reducción del TO. Finalmente se estudió también la influencia de colocar los tubos de reformado en el reactor de reducción o situarlos en el reactor de oxidación. Las principales conclusiones que se obtuvieron fueron las siguientes: Los resultados obtenidos muestran que el TO de hierro, obtenido por impregnación húmeda incipiente sobre Al2O3, es un transportador adecuado para usarse en un sistema SR-CLC. El inventario de sólidos requerido por este TO para quemar completamente una corriente PSA-offgas o CH4 en la planta en continuo, a 880ºC, es mucho menor que los obtenidos en la literatura hasta la fecha para transportadores de hierro.