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Análisis de reactividad de ilmenita y olivino como posibles transportadores sólidos de oxígeno en el proceso chemical looping combustion (CLC)

Mejía Paredes, Andrés Felipe; Jaramillo Romero, Claudia (Universidad del ValleColombiaFACULTAD DE INGENIERÍAINGENIERIA QUIMICA, 2015)

En el marco del Programa de Investigación e innovación en sistemas de combustión avanzada de uso industrial adelantado por la Unión Temporal ¿Incombustión¿, la Universidad del Valle está a cargo del proyecto ¿Combustión ...
Caracterización de los residuos de materiales utilizados como transportadores solidos de oxígeno en un proceso de combustión avanzada (Chemical Looping Combustion)

Carrillo Hormaza, Adriana Lucia (Universidad del ValleColombiaFACULTADES DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTASMAESTRÍA EN INGENIERÍA-ÉNFASIS EN INGENIERÍA QUÍMICA, 2017)

Una tecnología que se enmarca en la captura y almacenamiento de CO2, es la combustión con transportadores sólidos de oxígeno (Chemical Looping Combustion¿CLC,), la cual está considerada como una alternativa eficiente ...
Caracterización de materiales sólidos como posibles transportadores de oxígeno para un sistema de combustión avanzada

Herrera Vivas, Gustavo Adolfo (Universidad del ValleColombiaFACULTAD DE INGENIERÍAINGENIERIA QUIMICA, 2014)

En los últimos años se han venido desarrollando tecnologías que contribuyen a que se minimice el llamado efecto de gases invernadero responsables del cambio climático actual (Edenhofer et al., 2014), gases que en su mayoría ...
Comportamiento a alta temperatura de transportadores sólidos de oxígeno de base cobre para el proceso “chemical looping combustion”.

Forero, Carmen R. (2015-05-06)

El “Chemical Looping Combustion” (CLC) es una tecnología de combustión con separación inherente del CO2. Para escalar el proceso se necesitan materiales aptos para trabajar a alta temperatura. Se ha probado que los ...
Determinación de la disposición final de residuos de transportadores solidos de oxigeno generados en el proceso de Chemical Looping Combustión cuando se utiliza H2 como combustible

Jiménez Chilito, Juan Camilo; Mena Narvaez, Liliana Yaneth (Universidad del ValleColombiaFACULTAD DE INGENIERÍAINGENIERIA QUIMICA, 2018)

Los transportadores sólidos de oxígeno (TSO) deben cumplir ciertas características para ser utilizados en la tecnología Chemical Looping Combustion (CLC). Una de estas características es ser amigables con el medio ambiente, ...
Determinación de los parámetros cinéticos para combustión usando minerales del suroccidente colombiano como transportadores sólidos de oxígeno

Arango Durango, Eduardo; Vasquez Benavides, Farly Gloheibi (Universidad del ValleColombiaFACULTAD DE INGENIERÍAINGENIERIA QUIMICA, 2016)

La combustión indirecta con transportadores sólidos de oxígeno (Chemical Looping Combustion ¿ CLC) es una tecnología con separación de CO2 por medio de óxidos metálicos utilizados como transportadores sólidos de oxígeno ¿ ...
Preparación y caracterización de transportadores solidos de oxigeno basados en Fe y Mn modificados con CuO para combustión con captura de Co2.

Orrego Salamanca, Alvaro Javier (2019-11-05)

El uso de materiales naturales basados en óxidos de hierro y manganeso constituyen una opción viable como transportadores sólidos de oxígeno, para el proceso de Chemical Looping Combustión (CLC), que se caracteriza por ...
Reactividad de los transportadores sólidos de oxígeno (TSO): comparación entre termo balanzas [recurso electrónico

Pedroza Candelo, Frolain Fiorella; Ramirez Mora, Leidy Johanna (2015-02-11)

En esta investigación se calculó la reactividad de un transportador sólido de oxígeno, la constante de velocidad y el factor pre exponencial de Arrhenius, se analizó el efecto de la temperatura y la masa en la velocidad ...

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Análisis de reactividad de ilmenita y olivino como posibles transportadores sólidos de oxígeno en el proceso chemical looping combustion (CLC)

Forero Amortegui, Carmen Rosa | 2015

En el marco del Programa de Investigación e innovación en sistemas de combustión avanzada de uso industrial adelantado por la Unión Temporal ¿Incombustión¿, la Universidad del Valle está a cargo del proyecto ¿Combustión con captura de CO2 mediante transportadores sólidos de oxígeno (Chemical Looping Combustion), cuyo objetivo general es analizar el comportamiento de minerales y residuos procedentes de la industria del acero y la producción de alúmina como potenciales transportadores de oxígeno (TSO) en el proceso ¿Chemical looping Combustion¿ (CLC). Para el presente estudio se sometieron diferentes muestras de olivino e ilmenita a un proceso de reducción-oxidación, característico de la tecnología CLC en un equipo de análisis termogravimétrico (TGA). Las pruebas se realizaron a 750,850 y 950°C para verificar el efecto de la temperatura en la conversión de cada material. También se puso a prueba el tamaño de partícula utilizando muestras de 100-300 ¿m y 300-500 ¿m. Las condiciones de la etapa de reducción se establecieron en una concentración en flujo (%vol) de 25% metano y 75% N2, y para la oxidación 21% O2 (aire). A partir de los datos entregados por el equipo de medición, se determinó el comportamiento de la conversión en cada uno de los ciclos de reducción y oxidación a lo largo del tiempo para los dos materiales. Por otra parte, se determinó la capacidad de transporte experimental y la capacidad teórica de transporte a partir las posibles reacciones que tienen lugar en el proceso. La ilmenita presentó una capacidad de transporte experimental de 13.3%, la cual resulta relevante si se compara a las reportadas en anteriores estudios que están alrededor del 5%. Cuando se trabajó con una concentración de 10% en vapor de agua para el flujo de entrada, se obtuvo una capacidad de transporte menor al 1%. Las conversiones que alcanzó la ilmenita superaron el límite teórico planteado inicialmente. Además, su comportamiento a lo largo de los ciclos evidenció la activación que caracteriza a este mineral. En cuanto a la otra variable de estudio, se lograron mayores conversiones al aumentar temperatura, aunque se presentaron signos de aglomeración de las muestras a 950ºC. El comportamiento del olivino confirma su naturaleza de soporte. Se obtuvo para este material una capacidad de transporte de 0.1%, que se logró mejorar de manera poco significativa hasta un valor de 0.3% después de calcinar el mineral. Las conversiones obtenidas con el olivino en reducción fueron cercanas al 0% mientras en oxidación fueron del orden de 40%. No se evidenció una relación efectiva de la conversión con la temperatura para el olivino. De igual forma, los resultados no mostraron una influencia relevante del tamaño de partícula en el proceso. Después de someter el olivino a calcinación, se obtuvo una mejora en su desempeño, aunque esta no fue muy significativa. De los materiales de estudio, solamente la ilmenita demostró ser viable respecto a su uso en la tecnología CLC.

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Caracterización de los residuos de materiales utilizados como transportadores solidos de oxígeno en un proceso de combustión avanzada (Chemical Looping Combustion)

Forero Amortegui, Carmen Rosa | 2017

Una tecnología que se enmarca en la captura y almacenamiento de CO2, es la combustión con transportadores sólidos de oxígeno (Chemical Looping Combustion¿CLC,), la cual está considerada como una alternativa eficiente energéticamente, ya que es una tecnología con separación inherente del mismo mediante el uso de transportadores sólidos de oxígeno (TSO), con la ventaja de no requerir energía adicional para dicha separación. La clave en el desempeño de los sistemas CLC es el material transportador del oxígeno, siendo la mayoría de sólidos empleados de origen sintético, sin embargo, son pocas las investigaciones sobre materiales de bajo costo, es decir minerales naturales, desechos y subproductos de la industria los cuales podrían utilizarse como transportadores de oxígeno. En diversas zonas de la geografía colombiana se pueden encontrar óxidos metálicos en su forma natural o como residuos de las industrias y la minería los cuales podrían llegar a utilizarse en la tecnología CLC, sin embargo, estos materiales pueden contener trazas de elementos tóxicos solubles u otras características que los conviertan en residuos peligrosos. En el presente proyecto se caracterizaron fisicoquímicamente los residuos de seis diferentes materiales potenciales utilizados como TSO de bajo costo en un sistema CLC provenientes de diferentes partes del país, evaluados con dos gases reductores. Adicionalmente se analizó la viabilidad ambiental del uso de estos materiales como transportadores de oxígeno teniendo en cuenta la concentración de metales potencialmente peligrosos en sus lixiviados. Son varios los objetivos de caracterizar los residuos: predecir las reacciones de óxido reducción llevadas a cabo en el proceso, determinar el efecto del tiempo de operación sobre las propiedades mecánicas de los TSO y establecer la posible peligrosidad de los residuos debido a la presencia de metales potencialmente peligrosos. Lo anterior se llevó a cabo dentro del grupo de Ciencia y tecnología del Carbón, a través de la Unión temporal Incombustion, conformada por grupos de investigación de la Universidad de Antioquia, Nacional de Colombia (sede Medellín), Universidad del Valle y del Instituto Tecnológico Metropolitano. Los estudios realizados fueron distribución granulométrica, análisis de resistencia a la rotura, análisis semicuantitativo elemental y de morfología por medio del uso del microscopio electrónico de barrido EDS/SEM, identificación de fases cristalinas mediante la difracción de rayos X, análisis elemental mediante fluorescencia de rayos X y presencia de metales peligrosos en los lixiviados mediante absorción atómica. El principal aporte de este trabajo se basó en la determinación de metales potencialmente peligrosos en los lixiviados, encontrando que de acuerdo a la normatividad Colombiana (decreto 4741 de 2005 del Ministerio del Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible), ninguno de los residuos se clasifica como tóxico ya que no excede los valores límites permisibles de metales, por lo anterior se considera que los residuos de TSO de bajo costo evaluados en el presente proyecto generados en un sistema CLC, no ejercerían un impacto negativo sobre el medio ambiente al ser dispuestos en un relleno sanitario, por lo cual se concluye de manera preliminar que en términos ambientales es viable la utilización de CRSI003, FEMA004, FEMA011, ILME007, OXMN009 y OXMN010 como transportadores de oxígeno a escala industrial. Sin embargo, es necesario en futuros estudios, descartar que no presenten otras características, tales como inflamable, reactivo o explosivo que los conviertan en residuos peligrosos.

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Caracterización de materiales sólidos como posibles transportadores de oxígeno para un sistema de combustión avanzada

Forero Amortegui, Carmen Rosa | 2014

En los últimos años se han venido desarrollando tecnologías que contribuyen a que se minimice el llamado efecto de gases invernadero responsables del cambio climático actual (Edenhofer et al., 2014), gases que en su mayoría son productos de operaciones para la obtención de energía mediante la incineración de combustibles fósiles en contacto con aire. El sistema de combustión con transportadores sólidos conocido como ChemicalLooping Combustion o CLC por sus siglas en inglés, la cual se distingue por su facilidad para separar y capturar el dióxido de carbono presente en las emisiones resultantes del proceso, sin necesidad de una etapa costosa posterior de separación del CO2 de la corriente de gases de combustión obtenida (Adánez et al., 2012a). El proceso CLC consiste en llevar a cabo la reacción de combustión mediante el uso de materiales sólidos transportadores de oxígeno (TO) en remplazo del aire en la combustión convencional, los cuales están compuestos de óxidos metálicos y un inerte que actúa como soporte con el objetivo de aumentar la resistencia mecánica del transportador de oxígeno para luego ser reformados en otra cámara (Dufour y Rodríguez, 2011), donde la selección del transportador sólido es considerada como una parte esencial del diseño y funcionamiento del proceso(Hossain y de Lasa, 2008). Entre otros factores importantes en la elección del transportador se considera su costo y su impacto medioambiental, actualmente se considera prometedor el uso de minerales naturales y desechos de la industria (Adánez et al., 2012a) como es el caso de la Ilmenita (Cuadrat, 2012). En este proyecto se planteó la obtención de minerales en Colombia y la realización de su caracterización para la implementación en el proceso CLC, los estudios constaron en la distribución granulométrica por tamizaje, análisis de resistencia a la rotura, análisis semicuantitativo elemental y de morfología por medio del uso del microscopio electrónico MEB/EDS, la identificación de fases cristalinas mediante la difracción de rayos X o DRX y por último el análisis de área superficial y tamaño de poros mediante el método BrunauerEmmett-Teller a las muestras obtenidas.

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Comportamiento a alta temperatura de transportadores sólidos de oxígeno de base cobre para el proceso “chemical looping combustion”.

Forero, Carmen R. | 2015-05-06

El “Chemical Looping Combustion” (CLC) es una tecnología de combustión con separación inherente del CO2. Para escalar el proceso se necesitan materiales aptos para trabajar a alta temperatura. Se ha probado que los transportadores de base cobre cumplen los requerimientos, sin embargo se ha recomendado su trabajo a temperaturas menores de 1073 K. En este trabajo, se han desarrollado, por impregnación en diferentes soportes, dos transportadores basados en Cu. Se estudió su comportamiento a temperaturas por encima de 1073K en una unidad de CLC de 500 Wth teniendo en cuenta aspectos como: eficiencia de combustión, resistencia al desgaste, aglomeración, mantenimiento de la capacidad de transporte de oxígeno y reactividad. Problemas de aglomeración o desactivación de las partículas no se detectaron con ninguno de los TOs. Fue posible la operación estable durante más de 67 horas sólo con el TO modificado con la adición de NiO como soporte. Esta es la primera vez que un TO de base cobre, preparado por un método de fabricación comercial, se utiliza a 1173 K de temperatura en el reactor de reducción (TRR) y 1223 K en el de oxidación (TRO) y presenta buenas propiedades, abriendo nuevas posibilidades para la aplicación de materiales a base de cobre en los procesos de CLC a escala industrial. Abstract Chemical-Looping Combustion (CLC) is a combustion technology with inherent CO2 separation. To scale up the CLC process materials suitable to work at high temperatures are needed. Cu-based oxygen carriers had been proved to fulfil the requirements although temperatures lower than 1073 K has been recommended. In this work, two Cu-based OCs have been developed by impregnation on different supports. The behaviour of the OCs was studied at temperatures above 1073K in a CLC continuous unit of 500 Wth taking into account aspects such as combustion efficiency, attrition, agglomeration and maintenance of the oxygen transport capacity and reactivity. Agglomeration or deactivation of the particles was never detected with neither of the oxygen carriers used. At these high temperatures, stable operation for more than 67 h was feasible only using an OC with γAl2O3 modified with NiO addition as support. This is the first time that a Cu-based OC, prepared by a commercial manufacturing method, and used at 1173 K of fuel reactor temperature (TFR) and 1223 K of air reactor temperature (TAR) exhibits such a good properties. This result opens new possibilities for the application of Cu-based materials in industrial-scale CLC processes.

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Determinación de la disposición final de residuos de transportadores solidos de oxigeno generados en el proceso de Chemical Looping Combustión cuando se utiliza H2 como combustible

Forero Amortegui, Carmen Rosa | 2018

Los transportadores sólidos de oxígeno (TSO) deben cumplir ciertas características para ser utilizados en la tecnología Chemical Looping Combustion (CLC). Una de estas características es ser amigables con el medio ambiente, sin embargo, los TSO al encontrarse generalmente en forma de óxidos metálicos pueden contener trazas de algunos metales pesados o agentes tóxicos, y podrían generar residuos peligrosos luego de su uso. El presente trabajo aborda el estudio de la disposición final de los residuos de tres potenciales TSO a base de Cr, Fe y Mn, obtenidos de una operación de 30 ciclos de oxidación y reducción en un reactor de lecho fluidizado discontinuo a escala piloto, con una temperatura de 950°C y 1 atm de presión, utilizando H2 como gas combustible. Se realizó una caracterización de los residuos y los TSO originales en cuanto a distribución de tamaño de partícula, resistencia a la rotura, área superficial (BET), microscopia electrónica de barrido (SEM/EDS), análisis de fluorescencia y difracción de rayos x (FRX/DRX). Posteriormente desarrollo la prueba TCLP bajo el protocolo de la resolución No. 0062 del 2007 del IDEAM, para determinar su clasificación como residuos según la normativa colombiana (Decreto 4741 del 2005) y la normativa europea (Decisión del consejo 2003/33/EC de la Unión Europea). Finalmente se calculó la velocidad de atrición, vida media y un inventario de sólidos con el fin de estimar una tasa de generación de residuos y evaluar de manera teórica algunas opciones de recuperación o reutilización como parte de la gestión ambiental de los mismos. Se encontró en la caracterización de los residuos de TSO, un aumento de resistencia mecánica, reducción de tamaño de partícula, y cambios en la morfología con respecto a sus muestras originales. En su composición química elemental, se evidencia la presencia principalmente de Cr (28%) y Fe (66%). Se encontraron además, fases cristalinas principalmente de cromita (FeCr2O4), magnetita (Fe3O4) y hematita (Fe2O3) como consecuencia de las reacciones de oxidación-reducción. Con respecto a su clasificación, según la normativa colombiana ninguno de los residuos de TSO resulta ser peligroso, de igual manera para la normativa europea pueden ser clasificados como no peligrosos. En cuanto a su posible recuperación o reutilización, se considera inviable una recuperación de metales desde el lixiviado dado que la concentración de los metales en los lixiviados fue mínima. Sin embargo, debido a que los residuos tienen una composición considerable Fe y Cr, pueden ser reutilizados en otros procesos.

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Determinación de los parámetros cinéticos para combustión usando minerales del suroccidente colombiano como transportadores sólidos de oxígeno

Forero Amortegui, Carmen Rosa | 2016

La combustión indirecta con transportadores sólidos de oxígeno (Chemical Looping Combustion ¿ CLC) es una tecnología con separación de CO2 por medio de óxidos metálicos utilizados como transportadores sólidos de oxígeno ¿ TSO, proceso realizado en dos reactores uno de oxidación (RO) y otro de reducción (RR). La función de los transportadores es transferir el oxígeno del aire al combustible evitando contacto directo entre ellos y de esta manera obtener como producto una corriente gaseosa compuesta por CO2 y H2O. En este trabajo se determinaron los parámetros cinéticos: energía de activación, constante y orden de reacción de los transportadores de oxígeno ¿ TSO a base de óxidos de hierro y de manganeso; la viabilidad de utilizarlos en la tecnología CLC a escala de laboratorio empleando metano ¿ CH4 como gas reductor y además se hizo un análisis del comportamiento de estos TSO a diferentes condiciones en los ciclos de oxidación y reducción. Las muestras de los minerales fueron obtenidas del sur occidente colombiano, no se hizo preparación previa y se estudiaron en su estado natural. La evaluación de estos transportadores se llevó a cabo en la balanza termogravimétrica del laboratorio de Combustión Combustibles de la Universidad de Valle. Los resultados obtenidos muestran que estos minerales son adecuados para implementarlos en el proceso CLC. El transportador a base de óxido de hierro presenta sinterización a temperaturas superiores a 900 ° C que ocasiona disminución en la reactividad de la fase activa lo que es una desventaja; adicionalmente, este mineral presentó una alta capacidad de transporte de oxígeno lo cual es un punto a favor, pero debido a limitaciones termodinámicas solo se puede tener en cuenta la capacidad de transporte correspondiente a la transformación de hematita (Fe2O3) a magnetita (Fe3O4), ya que es la única reducción viable para ser usada en CLC a nivel industrial (Adanez et al., 2012). A diferencia, los óxidos de manganeso presentan alta reactividad en los ciclos reducción-oxidación pero baja capacidad de transporte de oxígeno con relación al oxido a base de Fe, propiedades que se contrarrestan.

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Preparación y caracterización de transportadores solidos de oxigeno basados en Fe y Mn modificados con CuO para combustión con captura de Co2.

Acuña Polanco, Jaime José | 2019-11-05

El uso de materiales naturales basados en óxidos de hierro y manganeso constituyen una opción viable como transportadores sólidos de oxígeno, para el proceso de Chemical Looping Combustión (CLC), que se caracteriza por realizar una combustión completa sin penalización energética en la separación de los gases de combustión con captura de CO2. Se empleó la impregnación Incipiente para mejorar las propiedades físicas, químicas y mecánicas de dos minerales basados en óxidos de hierro y manganeso. Ambos minerales se impregnaron con Cu(NO3)2.3H2O para generar transportadores a tres concentraciones (1.6%, 3.5% y 5.0%) en peso de CuO. Las muestras fueron caracterizadas por DRX, FRX, SEM, EDS, BET y resistencia mecánica. Los resultados indican que en los TSO de hierro aparecen las fases Hematita (Fe2O3) y Magnetita (Fe3O4), y en los de manganeso Rodonita (MnSiO3), Cuarzo (SiO2) y Tridimita (SiO2). Ambos TSO modificados (Fe y Mn) tienen baja área superficial, y alta capacidad de transporte, pero disminuye, a medida que incrementa el porcentaje de impregnación del CuO. Se evaluó la conversión de los TSO en una termobalanza gravimétrica (TGA). Se empleó metano e hidrógeno como combustibles diluidos con nitrógeno para las pruebas, a una temperatura de 950°C, realizando tres ciclos de oxidación-reducción y purgas con nitrógeno N2.

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Reactividad de los transportadores sólidos de oxígeno (TSO): comparación entre termo balanzas [recurso electrónico

Pedroza Candelo, Frolain Fiorella | 2015-02-11

En esta investigación se calculó la reactividad de un transportador sólido de oxígeno, la constante de velocidad y el factor pre exponencial de Arrhenius, se analizó el efecto de la temperatura y la masa en la velocidad de reacción y se compararon los resultados con los obtenidos en una termobalanza vertical. Para ello se utilizó la técnica de termogravimetría y se usó como transportador sólido de oxígeno, CuO soportado sobre una base de y-Al2O3 el cual es un material inerte, que sirve como aglutinante para aumentar la resistencia mecánica del transportador, preparado mediante la técnica de impregnación seca. Los transportadores sólidos de oxígeno en la técnica de Chemical Looping Combustion (CLC) transfieren oxígeno a través de un óxido metálico al combustible, sin ponerlo en contacto con el N2 del aire, permitiendo la captura y almacenamiento de CO2. La muestra fue analizada a tres temperaturas 700, 800 y 850°C y tres masas 20, 30 y 40 mg. Los efectos de la temperatura y la masa del transportador se investigaron mediante pruebas de reactividad en una termobalanza (TGA) horizontal utilizando una mezcla combustible que contiene 15% CO, 20% CO2 y 65% N2. Sobre la base de estas propiedades, a 850°C y una masa de 20 mg, se obtuvo el mejor comportamiento. Comparando los resultados obtenidos en esta termobalanza con los adquiridos en una termobalanza vertical ubicada en el Instituto de Carboquímica en Zaragoza, España, la termobalanza horizontal puede ser utilizada en el análisis de reactividades para los transportadores sólidos de oxígeno de cobre.

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