Producción de hidrógeno de alta pureza a partir de biocombustibles mediante el proceso steam-iron
- Autores: Jorge Plou Gómez
- Directores de la Tesis: Javier Herguido Huerta (dir. tes.), Jose Angel Peña Llorente (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Adánez Elorza (presid.), Javier Dufour Andía (secret.), Fausto Gallucci (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Química y del Medio Ambiente por la Universidad de Zaragoza
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Zaguán
- Resumen
Actualmente hay una crisis socioeconómica y medioambiental causada en parte por los combustibles fósiles y el paulatino agotamiento de sus reservas. Para disminuir la problemática, se han propuesto diferentes alternativas basadas en fuentes de energía renovable. Ninguna genera emisiones d gases de efecto invernadero (GEI) y junto con la tecnología del hidrógeno y las pilas de combustible, son una solución para disminuir los niveles de CO2 en la atmósfera (McDowall 2012). Dentro de las fuentes de energía renovables se encuentra la biomasa. Mediante la pirólisis rápida es posible obtener un aceite pirolítico o también llamado bio-oil. Está formado por una gran cantidad de hidrocarburos oxigenados. En cambio, a través de la fermentación se obtiene un producto gaseoso formado en su mayoría por metano y dióxido de carbono. Además contiene trazas de ácido sulfhídrico, nitrógeno e hidrógeno (Bridgwater 2012). Estos productos han sido los reactivos utilizados en los experimentos. El proceso “steam-iron” consiste en el uso de óxidos de hierro para la obtención de hidrógeno a partir de reactivos reductores (Messerschmitt 1910). Entre ellos se encuentran los biocombustibles. El proceso consta de dos pasos: la reducción de los óxidos de hierro mediante el biocombustible y la oxidación del hierro metálico con vapor de agua, obteniendo finalmente hidrógeno de alta pureza. Además de los óxidos de hierro, fue necesario añadir catalizador para la descomposición de los reactivos. El objetivo de la tesis ha sido estudiar el comportamiento de la reducción de los óxidos de hierro mezclados con catalizador al alimentar biogás desulfurado, vapores de los componentes mayoritarios del bio-oil y mezclas de éstos. A parte de los resultados experimentales también se ha confeccionado un modelo del reactor para estudiar con mayor profundidad el comportamiento dentro del reactor de lecho empaquetado y crear una herramienta capaz de estimar el comportamiento en condiciones industriales. Desarrollo teórico La selección del óxido de hierro para el proceso está basada en el trabajo realizado en el grupo de investigación anteriormente (Lorente 2008). Se han testeado diferentes catalizadores necesarios para la descomposición de los hidrocarburos oxigenados y el reformado seco de metano. Además, la proporción de catalizador y transportador de oxígeno es clave para maximizar la producción de hidrógeno sin perder actividad catalítica en la mezcla de sólidos (Plou et al. 2015). Los reactivos testeados han sido biogás, metanol, etanol, ácido acético, hidroxiacetona, acetona y mezclas de ellos. Todos ellos han sido sometidos a condiciones semejantes para comprobar la viabilidad del proceso y su variabilidad de un componente a otro. Se observó el mismo comportamiento con todos en el reactor de lecho fijo. Primeramente los reactivos se descomponen en una mezcla rica de hidrógeno y monóxido de carbono. Esta es capaz de reducir el óxido de hierro hasta su estado de oxidación mínimo, hierro metálico. Parte del reactivo también genera deposiciones de carbono que dependen de la proporción de carbono elemental del reactivo. Estas fueron analizadas mediante técnicas de caracterización como SEM, TEM, EDX y Raman. En el segundo paso del proceso, el hierro metálico se somete a oxidación con vapor de agua y se genera hidrógeno junto con el vapor no reaccionado. Tras someter el proceso a diferentes variables como temperatura, composición y evolución a lo largo de los ciclos, se pudo realizar un modelo del reactor en el que se pueden reproducir los resultados experimentales. El modelo está escrito en código Matlab y las constantes cinéticas de las reacciones involucradas fueron obtenidas en base a un ajuste integral de los resultados de lecho fijo. Conclusiones La mezcla óptima para el proceso en las condiciones testeadas fue una mezcla de óxido de hierro con ceria y alúmina como dopantes y como catalizador aluminato de níquel con exceso de níquel. La proporción de níquel necesaria es un 15% en masa del total. En los experimentos en lecho fijo, no existe ninguna dependencia del reactivo utilizado, observando la reducción desde Fe2O3 hasta hierro metálico y la oxidación hasta Fe3O4. La descomposición de los reactivos es total en todos los casos, por lo que la eficiencia del catalizador está demostrada. La capacidad reductora de la mezcla disminuye a lo largo de los ciclos y se llega a un valor residual de un 60% aproximadamente. Las temperaturas de operación óptimas son en torno a 750 °C en la reducción y 500 °C en la oxidación. El modelo del reactor ha permitido observar un tiempo de ciclo óptimo correspondiente a una conversión de sólido de 95% con una producción de 3,11 g H2 por cada 100 g de bio-oil alimentado. El sólido necesario es 87g de Fe3O4. También se ha podido simular el comportamiento al reciclar parte de los productos tras la condensación del agua y se incrementa enormemente la conversión total del reactor.
