Tar Reforming using Iron catalysts

Abstract

[ES] Los combustibles fósiles se consideran una de las principales fuentes de problemas medioambientales y socioeconómicos en todo el mundo, ya que generan emisiones de gases que contribuyen al efecto invernadero, la lluvia ácida y la contaminación del aire, el suelo y el agua. Para hacer frente a este reto, una de las opciones transformadoras actuales son los combustibles verdes, también conocidos como biocombustibles o hidrocarburos verdes, que se producen a partir de la biomasa, mediante procesos biológicos y termoquímicos.

Existen varios procesos para transformar la biomasa en combustibles, de los cuales este trabajo de investigación se focaliza en la gasificación. Uno de los principales problemas encontrados en este proceso es la formación de alquitranes, que a temperaturas de unos 350 ºC pueden condensarse y provocar la obstrucción de diferentes equipos, además de reducir la eficiencia del proceso. Por este motivo, el proyecto se centra en la etapa de limpieza del gas de síntesis.

El objetivo del trabajo final de máster, por tanto, es la reducción de los alquitranes en el gas producto por ser uno de los principales contaminantes del proceso. Su eliminación es complicada por la tendencia que tienen a ser refractarios debido a las altas temperaturas implicadas en la gasificación. Por ello, el enfoque adoptado para disminuir la concentración de alquitrán es añadir un catalizador sólido dentro del reactor secundario de lecho fijo.

El catalizador que se utiliza en la parte experimental es polvo de hierro, por sus ventajas medioambientales y económicas. Es menos activo catalíticamente que el catalizador de Ni comúnmente usado y su sustitución a pequeña escala está resultando un proceso costoso. Por lo tanto, es necesario realizar experimentos a escala de laboratorio para obtener información útil y detallada de los mecanismos de reacción del hierro donde se puedan obtener resultados sobre el reformado del alquitrán utilizando este catalizador. De este modo, se pueden averiguar y abordar los problemas del hierro para mejorar su actividad catalítica y así competir con el Ni.

Por otro lado, para entender de forma genérica los mecanismos de reacción que pueden ocurrir, se toma el tolueno como compuesto modelo. El tolueno es un hidrocarburo aromático muy abundante en el alquitrán, que a temperatura ambiente se encuentra en estado líquido, lo que hace que se utilice habitualmente para los experimentos.

El proyecto pretende ser lo más óptimo posible por lo que, además de lo expuesto anteriormente, la limpieza se realiza con gas caliente en lugar de gas frío, ya que es más ventajosa en términos de eficiencia térmica. Y dentro de los métodos de gas caliente se utiliza el craqueo catalítico; este método de limpieza proporciona una composición de gas final altamente combustible con una concentración mínima de alquitranes y otros gases contaminantes.

[EN] Fossil fuels are considered one of the main sources of environmental and socioeconomic problems worldwide, as they generate gas emissions that contribute to the greenhouse effect, acid rain, and air, soil, and water pollution. To address this challenge, one of the current transformative options is green fuels, also known as biofuels or green hydrocarbons, which are produced from biomass through biological and thermochemical processes.

There are several processes to transform biomass into fuels, of which this research work focuses on gasification. One of the main problems encountered in this process is the formation of tars, which at temperatures of about 350 ºC can condense and cause the obstruction of different equipment; besides reducing the efficiency of the process. For this reason, the project focuses on the syngas cleaning stage.

The objective of the final master's thesis, therefore, is the reduction of tars in the product gas, as they are one of the main pollutants in the process. Their elimination is complicated by their tendency to be refractory due to the high temperatures involved in gasification. Thus, the approach taken to decrease the tar concentration is to add a solid catalyst inside the secondary fixed-bed reactor.

The catalyst used in the experimental part is iron powder, because of its environmental and economic advantages. It is less catalytically active than the commonly used Ni catalyst and its substitution on a small scale is proving to be a costly process. Therefore, laboratory-scale experiments are needed to obtain useful and detailed information on iron reaction mechanisms, where results on tar reforming using this catalyst can be obtained. In this way, iron problems can be ascertained and addressed to improve its catalytic activity to compete with Ni.

On the other hand, to understand generically the reaction mechanisms that can occur, toluene is taken as a model compound. Toluene is an aromatic hydrocarbon very abundant in tar, which at room temperature is in a liquid state, which makes it commonly used for experiments.

The project aims to be as optimal as possible so, in addition to the above, the cleaning is performed with hot gas instead of cold gas, as it is more advantageous in terms of thermal efficiency. And within the hot gas methods, catalytic cracking is used; this cleaning method provides a highly combustible final gas composition with a minimum concentration of tars and other pollutant gases.