Incineración de metano con catalizadores de óxidos metálicos

Abstract

Las políticas medioambientales actuales, están siendo encaminadas hacia la reducción de las emisiones gaseosas causantes del efecto invernadero. Dentro de este tipo de emisiones se encuadran las procedentes de las industrias siderúrgicas y más concretamente las que se producen en las baterías de hornos de coque. El metano, que es el principal contaminante de estas emisiones, es el segundo compuesto que más aporta el efecto invernadero después del dióxido de carbono, por su volumen de emisión y por su elevado valor de coeficiente de calentamiento global (GWP=21). Además del metano, en estas emisiones se encuentran otros gases de tipo inorgánico como son el CO, CO2, H2S, SO2, NH3, NO2, H2 y H2O, de los cuales los de azufre son también causantes de la lluvia ácida. En el presente trabajo se propone la oxidación catalítica com tecnología aplicable al tratamiento de dichas emisiones. La presente Tesis Doctoral se encuentra enmarcada dentro de un proyecto europeo más amplio, que ha sido realizado en colaboración con las Universidades de Oviedo, Católica de Lovaina y el Politécnico de Turín, participando Aceralia Corporación Siderúrgica, actual ARCELOR, como empresa colabora. Los objetivos de la Tesis se han establecido en función de los reseñados por dicho proyecto. La primera parte de este trabajo ha sido la preparación y selección del mejor catalizador de óxidos metálicos simples capaz de destruir el metano de una corriente gaseosa. Para ello se ensayaron diferentes óxidos señalados en la literatura como potenciales candidatos a catalizadores de oxidación como son los de Co, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, V y también de uno comercial mezcla de CuO-Cr2O3-TiO2 que está disponible para la oxidación de hidrocarburos. Se realizaron en esta parte del trabajo ensayos de actividad y estabilidad de los diferentes catalizadores preparados para establecer cuales de ellos presentan un mejor comportamiento para la oxidación de metano. Una vez caracterizadas las muestras usadas se establece que los catalizadores que presentan una mayor viabilidad son los de cobalto, cromo y manganeso. En una segunda parte de este trabajo se realiza un estudio detallado de la resistencia de estos catalizadores a los posibles venenos presentes en las emisiones. Los compuestos de azufre son los venenos reconocidos más importantes en oxidación catalítica y se establecieron ensayos de envejecimiento con compuestos como H2S y SO2 a diferentes temperaturas para estable su influencia en el comportamiento de los catalizadores. También se estudió el efecto del H2O sobre los catalizadores ya que en algunos casos presenta un efecto inhibidor sobre la oxidación de metano. Finalmente se realizó un ensayo de envejecimiento con una mezcla sintética que simula la concentración del efluente real para el catalizador de cromo que es el que presenta un mejor comportamiento en los ensayos anteriormente descritos. Un estudio cinético detallado de la oxidación de metano fue realizado para el catalizador de cobalto, que es que mejor conversión de metano presenta en ausencia de otros compuestos inorgánicos, y para el catalizador de cromo que como se ha establecido es el único que resiste la presencia del resto de compuestos del efluente. Los resultados de estos ensayos condujeron en ambos casos a ajustes adecuados a un modelo tipo Mars-van Krevelen. Posteriormente se prepararon una serie de catalizadores de óxidos mixtos calcinados a diferente temperatura a partir de percursores de sales de cobalto y cromo que ya habían dado buenos resultados. Se obtuvieron tres tiposde cromitas de cobalto que fueron sometidas a ensayos de actividad, envejecimiento y resistencia a compuestos de azufre, estableciendo que la muestra que presenta un mejor comportamiento es la calcinada a 6001ºC. Finalmente se ensayaron catalizadores desechables con alto contenido en hierro procedentes de lixiviados de la industria del aluminio. Estos catalizadores han presentado buenos resultados como catalizadores de hidrotratamiento y después de un proceso de activación, Tierras Rojas Activadas, fueron utilizados como catalizadores de oxidación totoal de metano. Estos catalizadores presentan un comportamiento similar al del Fe2O3 en la oxiadación de metano, si bien pierden drásticamente su actividad catalítica en presencia de compuestos de azufre.