MX2007016201A

MX2007016201A - Montaje para la fabricacion de gas de hidrogeno por descomposicion termoquimica de agua utilizando la escoria de la planta de acero y materiales residuales.

Info

Publication number: MX2007016201A
Application number: MX2007016201A
Authority: MX
Inventors: Debashish Bhattacharjee; T Mukharjee; Vilas Tathavadkar
Original assignee: Tata Steel Ltd
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2008-03-11
Also published as: BRPI0612895B1; US20100111826A1; KR20080110979A; CN101203455A; CA2622171C; US9346675B2; RU2008101532A; KR101298052B1; RU2415071C2; EP2013139A1; WO2007125537A1; BRPI0612895A2; EP2013139A4; JP5017362B2; US20110027133A1; CA2622171A1; US20120171080A1; WO2007125537A9; JP2009535287A

Abstract

Un metodo nuevo para producir gas de hidrogeno que comprende adicionar agua a la escoria y material carbonaceo para producir hidrogeno por descomposicion termoquimica del agua.

Description

MONTAJE PARA LA FABRICACIÓN DE GAS DE HIDROGENO POR DESCOMPOSICIÓN TERMOQUÍMICA DE AGUA UTILIZANDO LA ESCORIA DE LA PLANTA DE ACERO Y MATERIALES RESIDUALES Campo de la invención Esta invención se refiere a un nuevo método de generación de gas de hidrógeno a partir de agua. Antecedente de la invención El hidrógeno está surgiendo como la alternativa preferida para combustibles fósiles. Actualmente, el hidrógeno se utiliza sobre todo como un material de alimentación, intermediario químico, o, en una escala mucha más pequeña, una especialidad química. Sólo una fracción pequeña del hidrógeno producido hoy es utilizada como un portador de energía, principalmente por las industrias aeroespaciales . Las industrias automotrices están desarrollando nuevos modelos cuyo funcionamiento basado para el hidrógeno en motores de combustión interna (ICEs), o de gasolina - carros de celda de combustible. Sin embargo, la mayoría de los procesos comerciales de producción de hidrógeno no son considerados como renovables como estas tecnologías simplemente cambian la fuente de contaminación de una distribuida (como carros, casas por ejemplo) a una fuente más concentrada como plantas de producción de hidrógeno o plantas de energía térmica. Las industrias de hidrógeno de los Estados Unidos solas producen actualmente nueve millones de toneladas de hidrógenos por año para uso en la producción de compuestos químicos, refinamiento de petróleo, tratamiento de metales, y aplicaciones eléctricas. Las tecnologías para la utilización de hidrógeno como un combustible están hoy en estado más avanzado que las tecnologías para la fabricación eficaz de hidrógeno de recursos renovables como la energía solar, del viento, energía de marea o energías geotérmicas. Hay una necesidad inmediata de desarrollar una mejor tecnología, más eficaz y barata para la producción de hidrógeno de recursos renovables y unir este espacio entre la producción y el la tecnología de consumo de hidrógeno y alcanzar una sinergia entre los dos segmentos. El mapa Nacional de Camino de la Energía del Hidrógeno del Gobierno de la India también ha dado la prominencia en el desarrollo de las técnicas avanzadas de producción y aplicación de las tecnologías basadas en el combustible de hidrógeno. El procedimiento electrolítico se utiliza por todo el mundo para la producción del gas de hidrógeno. Actualmente, este procedimiento se utiliza para producir hidrógeno de alta pureza. El costo del hidrógeno producido utilizando este procedimiento es significativamente superior y por lo tanto, se utiliza sólo en aplicaciones especiales como la elaboración del semiconductor. Pero este método puede facilitar una generación más distribuida de hidrógeno utilizando la electricidad hecha de recursos renovables y nucleares y ayudarán a abastecer los requerimientos locales con la distribución mínima, y requerimientos de almacenamiento [1! . El subproducto primario de este procedimiento es oxígeno. El proceso de reformación de vapor de agua-metano es también utilizado extensamente para la producción de hidrógeno. En este procedimiento catalítico de gas natural u otros hidrocarburos ligeros han reaccionado con vapor de agua para producir una mezcla de hidrógeno y dióxido de carbono. El hidrógeno de alta pureza es luego separado de la mezcla del producto. Este procedimiento es la tecnología comercializada más eficiente de energía actualmente disponible, y es el costo más rentable cuando es aplicado a cargas grandes, constantes. La oxidación parcial de combustibles fósiles en grandes gasificadores es otro procedimiento de fabricación térmica de hidrógeno. Esto implica que la reacción de un combustible con un abastecimiento limitado de oxígeno para producir una mezcla de hidrógeno, la cual es luego purificada. La oxidación parcial puede ser aplicada en un amplio margen del material de alimentación del hidrocarburo, incluyendo el gas natural, los aceites pesados, la biomasa sólida, y el carbón. Su subproducto primario es dióxido de carbono. Los procedimientos que surgen mantienen la promesa de producir hidrógeno sin emisiones de dióxido de carbono, pero todo esto está aún en fases tempranas de desarrollo. Algunas de estas tecnologías son separación termoquímica de agua usando calentamiento nuclear y solar, procedimientos fotolíticos (solares) utilizando las técnicas del estado sólido (foto electroquímica, electrólisis) , la fabricación de combustible fósil de hidrógeno con el secuestro del carbono, y las técnicas biológicas (alga y bacterias) . Objetivos de la invención Un objeto de esta invención es proponer un nuevo método de producción del gas de hidrógeno a partir del agua. Otro objeto de esta invención es proponer un nuevo método de producción del gas de hidrógeno a partir de agua en presencia de material residual carbonáceo y de flujos catalíticos . El objeto adicional de esta invención es proponer un nuevo método de producción del gas de hidrógeno a partir de agua en donde la escoria fundida se utiliza para la descomposición termoquímica del agua. El objeto de esta invención es aún más proponer un nuevo método de producción del gas de hidrógeno a partir de agua la cual es sencilla y rentable. Breve descripción de la invención De conformidad a esta invención se proporciona un nuevo método para producir gas de hidrógeno a partir de agua comprendiendo la adición de agua a la escoria y al material carbonáceo para producir hidrógenos por la descomposición termoquímica del agua. Breve descripción de los dibujos La invención se explica en gran detalle con los dibujos adjuntos: La FIG la muestra el efecto de la adición de agua en la concentración de FeO y de Fe203 en la escoria y la formación del gas H2, basada en resultados del cómputo del agua-escoria de la fase de equilibrio a 1873 K. La FIG lb se relaciona con un gráfico de la entalpia del agua -sistema de escoria versus adición de agua, basada en resultados del cómputo de la agua-escoria fase de equilibrio en 1873 K (b) . La FIG 2 muestra el efecto de la adición de agua en la concentración de FeO y de Fe203 en la escoria y la formación de gases de H2, CO y del C02 computarizados usando el programa FACT-sage. La FIG 3 muestra la disposición experimental para la producción de hidrógeno. La FIG 4 muestra el diagrama lineal y el diagrama esquemático de la disposición para la producción de hidrógeno en la sección de la escoria a nivel de planta. DESCIPCIÓN D? LA INVENCIÓN Un nuevo método es desarrollado para la producción del gas de hidrógeno por reacciones del agua y de la escoria en presencia de materiales residuales carbonáceos y de flujos catalíticos. La reacción global de la formación del gas de hidrógeno es: T <A>H20+xC+2yFeO ? <x+y+z>H2+<x-z>CO+zC02+yFe203+<A-x-y-z>H20 En la cual A es la cantidad de agua adicionada en el sistema, x es la cantidad de C disponible en el flujo, y es FeO en la escoria y z la formación de C02 por la reacción entre el CO y la agua. En este nuevo procedimiento, la escoria no sólo proporciona calor sensible para la reacción de descomposición endotérmica del agua pero también detiene las reacciones inversas entre el hidrógeno y el gas de oxígeno. El Fe y los óxidos más bajos del Fe en la escoria reaccionan con el gas oxígeno en la mezcla del gas del producto y forman Fe203 y de tal modo reducen la actividad termodinámica del oxígeno. Diferentes tipos de desechos, los cuales pueden actuar como desoxidantes, pueden ser utilizados como un flujo para mejorar la producción del gas de hidrógeno . Descomposición térmica del agua pura en la presencia de escoria: El calor sensible de la escoria fundida puede ser utilizado para la descomposición térmica del agua. En este proceso la escoria actúa como fuentes de calor y algunos de los componentes de desoxidación (Fe, FeO) en la escoria también participan en la reacción de descomposición (1) reaccionando con oxígeno naciente vía la reacción (2): T H02 - H + 1/2O2 ?H ?873? = 362 KJ/mol de agua ( 1 ) T 2FeO + 1/202 ? ?/2Fe203 ?H ?873? =-175 KJ/mol de FeO (2) La reacción de oxidación exotérmica proporciona la energía adicional requerida para la reacción (1) y también reduce la presión parcial de oxígeno del sistema y de tal modo mejora la velocidad de formación del gas de hidrógeno. Los datos de fase de equilibrio fueron calculados para la reacción entre 100 gr LD de escoria con agua a 1600°C. La cantidad de agua varió de 0 a 100 ml para estudiar el efecto del agua al radio de la escoria en la generación del gas de hidrógeno. Los resultados del cómputo son presentados en las Figuras la y b. La Figura la muestra el efecto de la adición de agua en la formación del gas de hidrógeno y los cambios en la concentración de FeO y de Fe203 adentro de la escoria. La entalpia del sistema a diferente adición de agua es mostrada en el Figura lb, la cual muestra que la entalpia de 100 mgr de escoria pueden apoyar la reacción con hasta 11.3 ml de agua, cualquier otra adición de agua necesitará energía de entrada adicional. Por lo tanto teóricamente la reacción de lKgr de escoria y de 113 ml de agua formara 0.8 moles por ej . , 19.2 litros de gas de hidrógeno sin cualquier energía de entrada a temperatura de 1873 de K.

Descomposición térmica del agua pura en la presencia de escoria y flujo carbonáceo: Los materiales carbonáceos y otros materiales de desecho de la planta tales como trazas de carbón, brisa de coque, etc. pueden ser utilizados como desoxidantes los cuales mejorarán la formación de hidrógeno por descomposición termoquímica del agua. Las reacciones entre el agua y el carbono son: T H20 + C - H2 + CO ?H i873? = 133 KJ/mol de H20 (3) H20 + CO ? T C02 ?H ?873? = -27 KJ/mol de H20 (4) El dato de equilibrio de fase de 100 gr de escoria y <A>ml de agua y 10 gr de carbono fue calculado para la temperatura de 1873 K y los resultados del cómputo son mostrados en el Figura 2. Los resultados del cómputo revelaron que la adición del exceso de agua con el requerimiento estequiométrico para la reacción del carbono mejora la producción del gas de hidrógeno. El exceso de agua reacciona con el gas del CO en el sistema a alta temperatura y forma gas C02. Si <A> = 5.55 mol (100 ml) y x = 0.20 mol entonces la energía requerida para la formación de 1.20 moles de H2, 0.46 moles de CO y 0.37 moles de C02 a 1873 K es ?H1873 K = 740KJ. La Entalpia de 1 Kg de escoria a 1900 K = ?H?90o K = -2120KJ. Teóricamente, la reacción de 100 ml de agua y 10 gr de carbono generarán 1.20 moles por ej . 26.9 litros de gas de hidrógeno a 1600 C y utilizando calor sensible de 350 gr de escoria. (H2O: C radio = 10:1). Por lo tanto, teóricamente las reacciones entre 1 Kg de escoria pueden producir ~ 70 litros del gas. Considerando las eficacias más bajas de los procedimientos de la reacción y de los procesos de transferencia de calor y otras limitaciones cinéticas, el procedimiento puede genera prácticamente ~ 10 litros de gas de hidrógeno por Kg de escoria. Los dispositivos innovadores (laboratorio y planta) han sido concebidos y fabricados para la producción del gas de hidrógeno utilizando la escoria de la planta de acero como una fuente de calor. El dispositivo diseñado puede efectivamente recoger el gas del producto con > 35% de hidrógeno utilizando calor residual de la escoria. La disposición experimental diseñada para estudiar las reacciones de la escoria fundida y del agua es mostrada en la Figura 3. El procedimiento normal (paso a paso) seguido durante la conducción de los experimentos utilizando la disposición, mostrada en el Figura 3, es descrito más abajo: Antes de iniciar los experimentos, el condensador (6) y tanques colectores de gas (11) primero fueron evacuados utilizando la bomba de vacío (13) , para la eliminación del aire residual y la generación de presión negativa para el flujo de gas en los tanques. El sistema fue aislado alrededor cerrando las válvulas (6, 12) antes del experimento. La escoria granulada de la planta de acero LD fue fundida en el horno de inducción y sobrecalentado a ~1650 - 1700°C. La escoria fundida fue vertida en crisol pre-calentado de grafito (1) . La campana de la reacción (2) fue entonces mantenida en el crisol. La cantidad de agua controlada fue rociada en la superficie de la escoria fundida a través de la línea de agua (3) . Los gases producto fueron formados por reacciones entre el agua, desoxidantes en la escoria, y el carbono del crisol, como se discutió en secciones arriba. El gas del producto de las reacciones fue recogido de la campana (2) vía el tubo de acero (4) conectado al tanque. Durante el experimento, las muestras del gas producto fueron recogidas del puerto de la muestra (5) para el análisis químico. El gas producto fue pasado a través del tanque condensador (7) por la válvula de gas abierta (6). El tanque condensador (7) fue enfriada por agua almacenada en el tanque externo (8) . Los productos gas después de la eliminación/liberación del vapor fueron entonces recogidos en el tanque colector del gas (11) por la abertura de las válvulas de control del flujo de gas (9, 10) . Las muestras del gas del tanque condensador y del tanque colector del gas fueron recogidas conectando la muestra de gas a las válvulas (9) y (12) respectivamente. El agua condensada del tanque condensador (7) fue removida por la abertura de la válvula (14) conectada en el extremo inferior del tanque condensador (7) . Los análisis típicos de las muestras del gas recogidos del puerto de la muestra (5), del tanque condensador (7) y del tanque colector (11) se da abajo: (Concentración en % Vol) Disposición para los análisis de la planta: La disposición diseñada y fabricada para conducir ensayos en la fosa de la escoria en la planta de acero en LD#2 es mostrada en la Figura . El procedimiento normal (paso a paso) siguiente es descrito más abajo: Los experimentos fueron realizados en la fosa de la escoria en la unidad de elaboración de acero, LD#2. El procedimiento de descarga de la escoria del crisol de acero LD#2 es brevemente descrito. En la planta de escoria del recipiente convertidor (por lotes) se recoge en el crisol de la escoria de capacidad de -25 toneladas. La escoria del crisol es entonces transferida al área de descarga de la escoria por la carretilla de la escoria. Después de la llegada de la carretilla de la escoria del crisol en el área de la fosa de la escoria, el crisol es removido de la carretilla por la grúa móvil y la escoria es luego vertida en la fosa de la escoria. Tiene cerca de 2 días para llenar la fosa de la escoria. Una vez que la fosa es llenada totalmente con escoria, la escoria se enfría por cierto tiempo y luego es remojada rociando chorros de agua desde los lados y del extremo superior. Tiene alrededor de un día para enfriar la escoria en la fosa. Durante el enfriamiento de la escoria, el grande volumen de vapor de agua se libera en el aire. Después de que enfríe la escoria es removida de la fosa por el volquete y transportado al área de procesamiento de la escoria. Las piezas de prueba fueron realizadas en la fosa la cual estaba casi llena. Antes del inicio del experimento, la disposición entera incluye el tanque colector del gas (11) y tanque condensador (7) fueron evaluadas utilizando la bomba de vacío (13) . La presión en el tanque fue monitoreada usando el compuesto verificador (15) unido al tanque condensador (7). Una vez que el compuesto verificador registró los -500 milímetros de lectura, la disposición por ej . , los tanques fueron aislados cerrando las válvulas (6, 12, 17, y 18). Después de que la escoria fuera vertida en la fosa por la grúa, la disposición experimental, según se muestra en la Figura 2, montado en la carretilla (24) fue movida cerca de la fosa de la escoria utilizando el tractor. Cuando la carretilla con la disposición alcanzó a la superficie marcada, primero el flujo que contenía el elemento carbonoso fue rociado en la superficie fundida de la escoria utilizando las bolsas del recipiente contenedor del polietileno, luego la campana de la reacción (2) fue reducida utilizando la cadena - dispositivo de la casilla de la polea (23) y fueron colocados en la superficie caliente de la escoria. Para el aislamiento positivo de la atmósfera circundante, la lana de la fibra cerámica de la alta temperatura (25) fue fijada en la orilla de la campana de la reacción (2). Después de colocar de la campana (2) en la superficie de la escoria, la válvula de la entrada de agua (20) fue abierta y el flujo de agua fue monitoreado a través del flujo del indicador (21) conectado a la línea de la entrada de agua. El agua fue luego rociada uniformemente en la superficie de la escoria fundida por la boca del agua (26) . Los gases producto fueron formados por reacciones entre el flujo del agua-escoria como se describió anteriormente. Inmediatamente después de la abertura de la válvula de la entrada de agua (20), el soplante del gas (22) fue conectado y la válvula (19) fue abierta para remover el aire y el vapor de agua de la línea de la tubería de gas, una vez que el gas producto con el vapor comenzó a salir del tubo de escape del soplante (22), la válvula (19) fue cerrada y la válvula (6) fue abierta lentamente. Las muestras del gas producto fueron recogidas por la válvula abierta (5) y conectando la muestra del gas. Cuando presión de gas en el tanque alcanzó + 800 milímetros el componente verificador (15) la válvula de gas (6) fue cerrada y la válvula de gas (19) fue abierta. Después que la campana de la reacción (2) fue subida las muestras fueron recogidas del tanque condensador (7) y tanque colector (11) utilizando puertos de muestras conectados a las válvulas (17 y 18) . Después de la recolección de la muestra la disposición fue evacuada como se describió antes para el siguiente experimento. Los diagramas explosivos fueron proporcionados en ambos tanques colectores y condensador para proteger el dispositivo de cualquier explosión como gas producto >30% de hidrógeno y < del 10% de gases CO los cuales explotaron y se incendiaron. Los análisis típicos de las muestras del gas recogidas del puerto de la muestra (s) se dan abajo: Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por el solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Un método nuevo para producir el gas de hidrógeno del agua caracterizado porque comprende la adición de agua a la escoria y al material carbonáceo para producir hidrógeno por la descomposición termoquímica del agua.
2. El método de conformidad en la reivindicación 1, caracterizado porque la escoria actúa como fuente de calor y en la cual los componentes de desoxidación (Fe, FeO) en la escoria toman 1 parte en la reacción de descomposición.
3. El método de conformidad con la reivindicación caracterizada porque el agua de descomposición f de la reacción de oxidación exotérmica proporciona energía adicional y reduce la presión parcial de oxígeno del sistema para mejorar la velocidad de formación f del gas de hidrógeno.
4. Un dispositivo para la producción de hidrógeno a partir de agua en la presencia de escoria caracterizado porque comprende un crisol de grafito (1) que contiene escoria fundida; una campana de reacción (2) dispuesta sobre el crisol; una línea de agua para rociar agua en la escoria fundida en el crisol (1); un tubo de acero (4) para recoger y transferir el gas de hidrógeno producido de la campana (2) en un tanque condensador (7); el gas de hidrógeno recogido pasó a un tanque colector de gas vía al menos una válvula de control (9, 10) .
5. Un dispositivo para la producción de hidrógeno a partir de agua caracterizado porque comprende una campana movible de reacción (2) unida a medios de un bloque de cadena dispositivo (23), la campana movible de la reacción dispuesta en una fosa de la escoria, una línea de entrada de agua para rociar agua en la escoria, el gas de hidrógeno producido se pasa a través de una válvula de gas (6) en tanque condensador (7) el cual luego conduce el gas de hidrógeno en un tanque colector (11) .
6. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque comprende un soplador de gas (22) que se utiliza para evacuar el aire de la línea de la tubería de gas antes de que la producción del gas de hidrógeno comience en la campana de la reacción (2) .
7. El dispositivo de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el agua es rociada uniformemente en la superficie de la escoria fundida por una boquilla (26) .