Combustión catalítica de gases de venteo de minas de carbón en reactores de flujo inverso

Abstract

En la minería del carbón, se generan importantes emisiones pobres de metano durante la fase de explotación, con una concentración de metano que varía entre 0.1 y 0.6% (vol.). Estas emisiones han cobrado especial relevancia en los últimos años debido a que el metano es un potente gas de efecto invernadero (su potencial de calentamiento es 23 veces superior al del dióxido de carbono). La contribución de estas emisiones al impacto ambiental de la minería del carbón se ha evaluado empleando dos herramientas de análisis: la huella de carbono y la huella ecológica. Las peculiaridades de los gases de ventilación de minas de carbón en cuanto a flujos, concentraciones de metano y presencia de otros compuestos, hacen que la combustión catalítica sea una técnica a tener en cuenta para mitigar la emisión de gases de efecto invernadero asociada a esta actividad, a la vez que para permitir una cierta valorización energética del metano. De esta forma, el empleo de un sistema regenerativo integrado en el propio reactor (reactor de flujo inverso, RFI), que se basa en el uso de lechos de material sólido inerte para calentar la alimentación, conduce a una elevada eficiencia energética y una operación autotérmica (el propio calor de reacción es empleado para calentar la alimentación, sin necesidad de aporte de energía externo). El funcionamiento del RFI se ha estudiado experimentalmente utilizando un reactor a escala piloto (0.05 m de diámetro y 0.4 m de longitud de lecho). Dado que los gases de ventilación a tratar no presentan compuestos derivados de azufre, el catalizador más adecuado para la combustión de metano es el paladio. Además se ha elegido un catalizador monolítico (Pd/Cordierita), ya que este tipo de lechos estructurados presenta grandes ventajas, como por ejemplo una menor caída de presión, aunque también algunos inconvenientes, como una reducción de la estabilidad del reactor. Primeramente se ha llevado a cabo el estudio de la cinética intrínseca de la combustión de metano, ajustándose a un modelo cinético de primer orden. Después, dado que algunas minas pueden presentan concentraciones de CO2 de hasta un 2.5 %, se ha analizado su posible efecto sobre la cinética, aunque finalmente se determinó que éste era despreciable. Posteriormente, teniendo en cuenta que los gases de ventilación presentan fracciones molares de agua entre 0.02 y 0.05, y que ésta tiene un efecto inhibidor sobre el catalizador, se ha modelizado dicha influencia sobre la cinética utilizando un modelo de Langmuir-Hinshelwood. En cuanto a la operación con el reactor de flujo inverso, inicialmente se ha estudiado la influencia del tiempo de inversión (50 - 600 s), la concentración de metano en la alimentación (1000 - 6000 ppm) y la velocidad espacial (GHSV 1146 - 2290 h-1) sobre la estabilidad del reactor, concluyendo que el tiempo de inversión y la concentración inicial de metano son parámetros clave para evitar la extinción del reactor. También se ha estudiado el efecto inhibidor de la humedad en la operación del RFI, de manera que se observó su influencia sobre la estabilidad del reactor, concluyendo que para un mismo tiempo de inversión, sería necesario aumentar la concentración de metano para compensar el efecto de la humedad. Para solventar este problema se ha propuesto el estudio en el RFI de la combustión de metano con adsorción de agua integrada (utilizando unos lechos adicionales de .-alúmina). Con esta combustión con adsorción integrada se han obtenido resultados semejantes a los experimentos sin humedad, con lo que, este sistema resulta eficiente y adecuado para el tratamiento de los gases de ventilación húmedos. La información que se ha obtenido en los experimentos ha permitido la validación de un modelo matemático dinámico heterogéneo unidimensional para RFI, que inicialmente se ha resuelto utilizando un código en MATLAB. Además, gracias al desarrollo de este modelo, se ha estudiado más detalladamente el efecto inhibidor de la humedad, así como el efecto de fluctuaciones en la concentración de metano en la alimentación en el diseño de este tipo de reactores a escala industrial para un caudal de 45 m3/s y concentración de metano de 3000 ppm, datos correspondientes a uno de los pozos objeto de estudio.