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Reformado de metano con transportadores sólidos de oxígeno (Chemical Looping Reforming)

Ortiz Navarro, María
Adánez Elorza, Juan (dir.) ; Diego Poza, Luis Francisco de (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2011

Resumen: El reformado de metano con transportadores sólidos de oxígeno (Chemical Looping Reforming-CLR) es un proceso autotérmico de refomado de metano en el que se utilizan transportadores sólidos de oxígeno - TO (óxidos metálicos) en dos lechos fluidizados interconectados, el reactor de reducción (RR) y el de oxidación (RO). Estos sólidos transfieren el oxígeno del aire al combustible evitando el contacto directo entre ellos. Este trabajo ha centrado su investigación en el desarrollo y caracterización de transportadores sólidos de oxígeno basados en NiO adecuados al proceso y en demostrar la viabilidad del proceso CLR a nivel de planta piloto. Para ello, se prepararon distintos TO mediante varios métodos y utilizando diferentes soportes. Para seleccionar los TO más adecuados entre los materiales preparados, se realizaron experimentos consistentes en multiciclos reducción-oxidación en una termobalanza y en un reactor de lecho fluidizado discontinuo. Los resultados obtenidos mostraron que los transportadores de oxígeno preparados por impregnación con humedad incipiente presentan las propiedades deseadas en el proceso CLR. A continuación, se estudió el comportamiento de los transportadores de oxígeno seleccionados en una planta piloto de dos lechos fluidizados interconectados de 900 Wt. Además, se analizó el efecto de las principales variables de operación sobre la distribución de gas producto, conversión de metano, formación de carbono e integridad del transportador. En todos los experimentos realizados, la conversión de metano fue muy alta y la composición del gas producto obtenida era la correspondiente al equilibrio termodinámico. Durante las 50 horas de operación no se detectó deposición de carbono ni problemas de aglomeración o de fluidización. La pérdida de material por atrición fue despreciable y además, los transportadores no perdieron reactividad ni sufrieron cambios importantes en sus propiedades físico-químicas durante la operación. Por todo esto, puede decirse que los TO desarrollados en este trabajao pueden ser utilizados en grandes instalaciones de CLR para la producción de H2. Posteriormente se analizó el efecto de la presión de trabajo sobre el proceso CLR. Para ello, se realizaron experimentos en una instalación equipada con un reactor de lecho fluidizado con alimentación continua de sólido que podía trabajar hasta 10 atmósferas de presión. Los resultados obtenidos mostraron que la presión de trabajo no produce cambios significativos en la composición del gas producto, conversión de metano ni en la integridad del transportador de oxígeno. Además, se determinó la cinética de reacción de todas las reacciones que pueden tener lugar en el reactor de reducción de un proceso CLR. El conocimiento de esta cinética es esencial para realizar el diseño, simulación y optimización del proceso CLR. Finalmente se realizó una optimización del proceso CLR desde el punto de vista de la producción de H2. Para ello, se realizaron balances de materia y energía en el sistema CLR para determinar las condiciones de operación en las que el proceso trabaja en régimen auto-térmico y la producción de H2 es la máxima posible. La principal conclusión obtenida de este estudio fue que es necesario trabajar con relaciones aire-combustible superiores a la estequiométrica (mayores de 1.2) para que el proceso CLR sea auto-térmico. La producción de H2 en las condiciones óptimas de operación es de 2.75 mol H2/mol CH4.