Effects of pyrolysis atmosphere on the porous structure and reactivity of chars from middle and high rank coals

Efectos de la atmósfera de pirólisis sobre la estructura porosa y la reactividad de los carbonizados formados desde carbones de alto y mediano rango

Se estudió la influencia de una atmósfera basada en CO₂ o N₂ sobre la estructura porosa y la microestructura de carbonizados de carbón obtenidos de la pirólisis lenta no isotérmica desde temperatura ambiente hasta 900 °C de dos carbones de diferente rango (Semi-Antracita (SA) y Bituminosos Alto en Volátiles tipo C (BAVC)), y de diferentes distribuciones de tamaño de partícula. Para todos los carbonizados se realizó la caracterización fisicoquímica (Análisis ultimo y próximo), la caracterización morfológica y estructural por combinación de técnicas como espectroscopia Rama, Microscopia electrónica de barrido por emisión de campo (FE-SEM), área superficial (BET - Brunauer-Emmett-Teller) y volumen y diámetro de microporos por mediciones de adsorción en CO₂ (Horvath-Kawazoe (HK) method). Se encontró que los parámetros cinéticos, las propiedades fisicoquímicas y la reactividad de los carbonizados de carbón son diferentes dependiendo de la atmósfera de pirólisis. También se determinó que para el carbonizado de carbón de SA, con un tamaño de partícula mayor de 0,7mm, la superficie BET aumenta cuando la atmósfera se enriquece en CO₂. Este efecto parece ser promovido por la interacción de diferentes procesos como las reacciones secundarias intrapartícula (ablandamiento, nucleación y coalescencia de burbujas, entrecruzamiento, entre otros), diferencias en la difusividad térmica de N₂ y CO₂, y los efectos reactivos de este último. Además, los ensayos de reactividad oxidativa de los sólidos mostraron que el carbonizado formado en una atmósfera de CO₂ es más reactivo que el formado en N₂. Con los resultados del análisis de Raman y los parámetros cinéticos cuantificados, se concluyó que la atmósfera de reacción determinó el grado de ordenación alcanzado por la estructura carbonosa y que las propiedades termo-difusivas de la atmósfera de reacción promovieron diferencias estructurales en el carbonizado, incluso a bajas velocidades de calentamiento.

Introducción

Como sistema de captura de CO₂, la oxicombustión es uno de los procesos más prometedores para la quema de carbón debido a las ventajas en términos de eficiencia térmica, quema de carbono, reducción del tamaño del reactor, reducción de contaminantes y fácil separación del CO₂ de los gases de combustión (Riaza et al., 2014; M. B. Toftegaard, Brix, Jensen, Glarborg, & Jensen, 2010). En este proceso, la oxidación se produce utilizando concentraciones de O₂ más altas que las utilizadas en la combustión convencional. Para reducir las temperaturas del sistema y de la llama, los gases de combustión -compuestos principalmente por CO₂- se recirculan. Además, se produce una reducción sustancial de los NOx.

La sustitución de CO₂ por N₂ en el ambiente modifica las características de la combustión debido a la complejidad del sistema. (Kim, Choi, Shaddix, & Geier, 2014) y (Tolvanen, & Raiko, 2014), encontraron que la temperatura en la superficie de la partícula disminuía cuando se sustituía el N₂ por CO₂ incluso cuando el oxígeno participa en el proceso de combustión del carbón.