Materiales carbonosos para el control de contaminantes orgánicos y atmosféricos. Diseño y rendimiento

Abstract

[ES] En el desarrollo de esta memoria se establecen como objetivos la valorización de diversas materias para la producción de carbones activos y su aplicación en la retención de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), emitidos en procesos de generación de energía. La producción de los carbones activos se ha llevado a cabo mediante un proceso de activación física con CO2 en dos etapas, de carbonización y gasificación parcial del carbonizado. El estudio se ha orientado al desarrollo de un modelo matemático capaz de predecir el comportamiento de los sólidos durante la reacción de activación, tanto en su conversión como en el desarrollo de sus propiedades morfológicas. Para ello se realizaron análisis gravimétricos orientados a la obtención de los parámetros del modelo de cinética intrínseca y series de experiencias en un reactor de lecho fijo para conocer la evolución de las propiedades de los sólidos obtenidos y validar el modelo desarrollado mediante la comparación de los resultados experimentales y simulados. Sólidos escogidos con distintos grados de activación se han utilizado para desarrollar un modelo matemático que describa el proceso de adsorción de fenantreno, que se ha tomado como compuesto modelo HAP. Para ello se realizaron experiencias de adsorción de fenantreno en lecho fijo que permitían obtener las curvas de ruptura con distintas concentraciones. A partir de estos resultados se pudo ajustar las isotermas obtenidas al modelo de Freundlich y obtener relaciones entre los parámetros del modelo y la activación de los sólidos. Posteriormente, mediante el ajuste de las curvas de ruptura al modelo cinético de Fuerza Impulsora Lineal se ha evaluado la influencia de las propiedades de los sólidos en el proceso. La buena concordancia entre los resultados obtenidos por el modelo y los obtenidos en reacciones en condiciones reales de combustión en AFBC permiten validar este modelo. Se concluye que es posible desarrollar materiales adsorbentes válidos para la retención de HAP a partir de carbones de bajo rango y neumático de deshecho mediante activación con CO2, y que el desarrollo de modelos de simulación permiten describir estos procesos así como su comportamiento en sistemas de limpieza en caliente de la corriente de salida de gases

[EN] The aim of this work has been to achieve the valorisation of different raw materials for the production of activated carbons. In addition, their application for emission abatement of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in energy generation processes has also been studied. The activated carbons production has been carried out through a two steps physical activation process using CO2 as gasifying agent. The first step was the raw material carbonisation under inert atmosphere and the second step was the char activation with CO2. This research has been oriented to the development of a mathematical model to predict the solids reactivity during the activation process. This model not only is able to predict the evolution of conversion with time but also takes into account the morphological properties of the obtained products. In this way, first, the intrinsic kinetic parameters were obtained using first a thermobalance, second experiments in a swept fixed bed reactor were performed with the aim of following the solids textural properties at increasing conversion and, finally, validating the developed mathematical model by comparing the experimental and calculated results. Different produced activated carbons with different activation were selected and used for the development of a mathematical model to describe the PAH model compounds adsorption process. Phenanthrene adsorption experiments were performed in a fixed bed reactor where the breakthrough curves at different contaminant concentrations could be recorded. From these experimental results, it was possible to plot the adsorption isotherms and fit them to the Freundlich model. In this way, a relationship between the isotherms parameters and the solids activation degree was found. After that, the breakthrough curves were satisfactory fitted to the Linear Driving Force model and the influence of the activated carbons properties on the adsorption process were evaluated. The good agreement between experimental and calculated results was corroborated by performing adsorption experiments at real conditions using an atmospheric fluidised bed combustion pilot plant. It could be observe that the results obtained by using model compounds were similar to those at real conditions. It is finally concluded that it is possible to develop sorbents for the PAH emissions abatement for hot gas cleaning from low rank coals and waste tyre through an activation process using CO2. In addition, the development of mathematical models allows an appropriate description of these processes.