ES2310127B1 - SYNTHESIS GAS PRODUCTION PROCEDURE, DEVICE FOR ITS EXECUTION AND ITS APPLICATIONS. - Google Patents

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ES2310127B1 ES200701512A ES200701512A ES2310127B1 ES 2310127 B1 ES2310127 B1 ES 2310127B1 ES 200701512 A ES200701512 A ES 200701512A ES 200701512 A ES200701512 A ES 200701512A ES 2310127 B1 ES2310127 B1 ES 2310127B1
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Abstract

Procedimiento de producción de gas de síntesis, dispositivo para su ejecución y sus aplicaciones.Synthesis gas production procedure, device for its execution and its applications.

La presente invención describe un procedimiento de obtención de gas de síntesis (gas rico en H_{2} y CO) a partir de un gas rico en CH_{4} y CO_{2} basado en el uso de un material carbonoso que de forma simultánea actúa como catalizador y captador de microondas. Asimismo, se describe un dispositivo o aparato para llevar a cabo dicho procedimiento.The present invention describes a process for obtaining synthesis gas (gas rich in H2 and CO) from of a gas rich in CH_ {4} and CO_ {2} based on the use of a carbonaceous material that simultaneously acts as a catalyst and microwave pickup Likewise, a device or apparatus for carrying out said procedure.

Description

Procedimiento de producción de gas de síntesis, dispositivo para su ejecución y sus aplicaciones.Synthesis gas production procedure, device for its execution and its applications.

Sector de la técnicaTechnical sector

La presente invención describe un procedimiento para la producción de gas de síntesis por lo que el sector de la técnica se corresponde con el sector energético, más concretamente con el área de procedimiento de producción de combustibles respetuosos con el medio ambiente.The present invention describes a process for the production of synthesis gas so the sector of the technique corresponds to the energy sector, more specifically with the fuel production procedure area Respectful towards the environment.

Estado de la técnicaState of the art

La presente invención desarrolla un método para la producción de un gas rico en hidrógeno (H_{2}) y monóxido de carbono (CO), comúnmente denominado gas de síntesis. Este gas es de gran importancia en sectores como el energético, químico y petroquímico ya que puede ser usado directamente como combustible o bien puede transformarse en otros productos de gran valor añadido como amoniaco, metanol, etanol, hidrógeno o en combustibles líquidos sintéticos como el diesel o la gasolina. Actualmente y a nivel industrial, la producción de gas de síntesis está basada principalmente en la transformación del gas natural. Las tecnologías disponibles para ello son: el reformado con vapor, la oxidación parcial y el reformado auto-térmico. Los tres procesos se llevan a cabo a temperaturas alrededor de los 900ºC y a presión. Tienen en común la utilización de un agente oxidante bien vapor de agua u oxigeno y de catalizadores metálicos. El reformado con vapor es endotérmico mientras que en los otros dos procesos el aporte de calor es suministrado por el propio sistema. Como inconvenientes, el reformado con vapor presenta la utilización de grandes cantidades de vapor para impedir la desactivación del catalizador por los depósitos de carbón provenientes del metano, mientras que en la oxidación parcial y el reformado auto-térmico la utilización de oxigeno puro encarece excesivamente el proceso. A modo de ejemplo y entre las numerosas citas presentes en la bibliografía en las que se hace referencia a estas tecnologías, se pueden ver J.M. Ogden. International Energy Agency. Task 16, Hydrogen from carbon Containing-Materials. 2001; N.R. Burke, D.L. Trimn. Catalysis Today 117 (2006) 248-252; S. Rabe, T.B. Truong, F. Vogel. Applied Catalysis A: General 318 (2007) 54-62.The present invention develops a method for the production of a gas rich in hydrogen (H2) and monoxide carbon (CO), commonly called synthesis gas. This gas is from great importance in sectors such as energy, chemical and petrochemical because it can be used directly as fuel or well it can be transformed into other products of great added value such as ammonia, methanol, ethanol, hydrogen or in fuels synthetic liquids such as diesel or gasoline. Currently and to industrial level, the production of synthesis gas is based mainly in the transformation of natural gas. The available technologies for this are: steam reforming, partial oxidation and auto-thermal reforming. The three processes are carried out at temperatures around 900ºC and under pressure. They have in common the use of an agent Oxidizing well water vapor or oxygen and metal catalysts. The steam reforming is endothermic while in the other two  processes the heat input is supplied by the system itself. As disadvantages, steam reforming presents the use of large amounts of steam to prevent deactivation of catalyst for carbon deposits from methane, while in partial oxidation and reforming Self-thermal utilization of pure oxygen the process becomes too expensive. As an example and between numerous citations present in the bibliography in which it is made reference to these technologies, you can see J.M. Ogden International Energy Agency Task 16, Hydrogen from carbon Containing-Materials 2001; N.R. Burke, D.L. Trimn. Catalysis Today 117 (2006) 248-252; S. Rabe, T.B. Truong, F. Vogel. Applied Catalysis A: General 318 (2007) 54-62.

Actualmente, una de las tecnologías que está siendo propuesta para la producción de gas de síntesis es el reformado catalítico de metano con dióxido de carbono (dry reforming). A modo de ejemplo se puede ver: M.C.J. Bradford and M.A.Vannice. Catal. Rev.-Sci. Eng. 41(1) (1999) 1-42. Este proceso seria muy adecuado para aquellos gases que estuvieran constituidos principalmente por CH_{4} y CO_{2} como el gas natural o sobre todo el biogás. Sin embargo no hay ninguna tecnología industrial basada en este proceso a pesar de los potenciales beneficios económicos y medioambientales que presenta. Esto es fundamentalmente debido a la rápida desactivación de los catalizadores utilizados por los depósitos carbonosos provenientes de la descomposición del metano.Currently, one of the technologies that is being proposed for the production of synthesis gas is the catalytic reforming of methane with carbon dioxide (dry reforming). As an example you can see: M.C.J. Bradford and M.A. Vannice. Catal. Rev.-Sci. Eng. 41 (1) (1999) 1-42. This process would be very suitable for those gases that were constituted mainly by CH4 and CO2 as natural gas or especially biogas. Not however there is no industrial technology based on this process despite the potential economic and environmental benefits that presents. This is mainly due to the rapid deactivation of the catalysts used by carbonaceous deposits from the decomposition of methane.

Este problema se intenta resolver mediante la utilización de vapor que gasifique los depósitos formados regenerando el catalizador. Sin embargo, y al igual que sucede con el reformado con vapor de gas natural, los requerimientos energéticos son elevados debido a las altas relaciones H_{2}O/CH_{4} empleadas. Como ejemplo de la aplicación de esta tec-
nología se puede ver: A. Effendi, Z.G. Zhang, K. Hellgardt, K. Honda, T. Yoshida. Catalsis Today 77 (2002) 181-189.
This problem is attempted to be solved by using steam that gasifies the deposits formed by regenerating the catalyst. However, as with steam reforming of natural gas, the energy requirements are high due to the high H 2 O / CH 4 ratios used. As an example of the application of this tech-
Nology can be seen: A. Effendi, ZG Zhang, K. Hellgardt, K. Honda, T. Yoshida. Catalsis Today 77 (2002) 181-189.

En la presente invención se plantea una tecnología alternativa a los procesos convencionales de obtención de gas de síntesis basada en el empleo de microondas. Existen algunos artículos en los que se describen también el calentamiento en microondas para la obtención de gas de síntesis. Así por ejemplo, la siguiente publicación: X. Bi et al. Reaction kinetics and Catlysis Letters, 66(2) 381-386 (1999) describe un proceso basado en el calentamiento con microondas para la oxidación parcial de CH_{4} a gas de síntesis en el que se utilizan diversos tipos de catalizadores metálicos.In the present invention an alternative technology is proposed to the conventional processes of obtaining synthesis gas based on the use of microwaves. There are some articles that also describe microwave heating to obtain synthesis gas. For example, the following publication: X. Bi et al . Reaction kinetics and Catlysis Letters, 66 (2) 381-386 (1999) describes a process based on microwave heating for the partial oxidation of CH4 to synthesis gas in which various types of metal catalysts are used.

El uso de microondas en el procesado de hidrocarburos para la obtención de hidrógeno se encuentra descrito en las siguientes patentes: Y. Cha. Pat. Nº. US 6783632 (2004), donde se describe un método asistido con microondas para la obtención de hidrógeno por reformado con vapor de agua de hidrocarburos ligeros; J.K.S. Wa, et al. Pat. Nº US 4574038 (1986), donde se describe un método asistido con microondas para la obtención de etileno e hidrógeno a partir de metano usando catalizadores metálicos.The use of microwaves in the processing of hydrocarbons to obtain hydrogen is described in the following patents: Y. Cha. Pat. . US 6783632 (2004), where a microwave-assisted method for obtaining hydrogen by steam reforming of light hydrocarbons is described; JKS Wa, et al . Pat. No. 4574038 (1986), where a microwave-assisted method for obtaining ethylene and hydrogen from methane using metal catalysts is described.

En la presente invención se hace reaccionar el CO_{2} presente en el gas (biogás, gas natural, etc.) con el CH_{4} sin utilizar vapor de agua ni catalizadores metálicos y utilizando calentamiento en microondas. Los depósitos de carbón formados sobre los centros activos del catalizador carbonoso son gasificados "in situ" por el propio CO_{2} presente en el gas. Existen trabajos en la bibliografía en los que se ha utilizado un procedimiento similar para llevar a cabo el reformado seco del metano, pero hasta ahora todos ellos están basados en el uso de catalizadores metálicos. Como ejemplo se puede ver las siguientes publicaciones: X. Zang, D.O. Hayward. Inorganica Chimica Acta 359 (2006) 3421-3433, Tanashev et al. Catálisis Today, 42(3) 333-336 (1998).In the present invention, the CO2 present in the gas (biogas, natural gas, etc.) is reacted with the CH4 without using water vapor or metal catalysts and using microwave heating. The carbon deposits formed on the active centers of the carbonaceous catalyst are gasified " in situ " by the CO2 itself present in the gas. There are works in the literature in which a similar procedure has been used to carry out dry methane reforming, but so far all of them are based on the use of metal catalysts. As an example you can see the following publications: X. Zang, DO Hayward. Inorganica Chimica Acta 359 (2006) 3421-3433, Tanashev et al . Catalysis Today, 42 (3) 333-336 (1998).

Descripción de la invenciónDescription of the invention Descripción brevebrief description

Un aspecto de la presente invención lo constituye un procedimiento de obtención de gas de síntesis (gas rico en H_{2} + CO) a partir de un gas rico en CH_{4} y CO_{2}, en adelante procedimiento de la invención, basado en el uso de un material carbonoso que de forma simultánea actúa como catalizador y captador de microondas sometido a una radiación y calentamiento por microondas y que comprende las siguientes etapas:An aspect of the present invention is it constitutes a procedure for obtaining synthesis gas (gas rich in H2 + CO) from a gas rich in CH4 {and} CO 2, hereinafter process of the invention, based on the use of a carbonaceous material that simultaneously acts as microwave catalyst and collector subjected to radiation and microwave heating and comprising the following stages:

i) i)
radiación y calentamiento por microondas del material carbonoso con microondas hasta alcanzar la temperatura de reacción, preferentemente entre 500ºC y 1000ºC, más preferentemente a 800ºC,radiation and microwave heating of carbonaceous material with microwave until the temperature of reaction, preferably between 500 ° C and 1000 ° C, more preferably at 800 ° C,

ii) ii)
paso del gas de partida mezcla de CH_{4} y CO_{2} a través del material de i) manteniendo la radiación y calentamiento por microondas, preferentemente entre 500ºC y 1000ºC, más preferentemente a 800ºC, ypassage of the starting gas mixture of CH4 and CO 2 through the material of i) maintaining the radiation and microwave heating, preferably between 500 ° C and 1000 ° C, more preferably at 800 ° C, and

iii) iii)
recuperación del gas de síntesis.synthesis gas recovery.

Otro objeto de la invención lo constituye un dispositivo o aparato necesario para llevar a cabo el procedimiento de la invención, en adelante dispositivo de la invención, constituido por un horno o dispositivo microondas capaz de inducir temperaturas de hasta 1000ºC, que comprende un lecho de un material carbonoso capaz de actuar como captador de microondas y catalizador en las reacciones de descomposición, y con entradas y salidas para los gases de partida y el gas de síntesis producido, respectivamente.Another object of the invention is a device or apparatus necessary to carry out the procedure of the invention, hereinafter device of the invention, constituted by an oven or microwave device capable of inducing temperatures up to 1000 ° C, comprising a bed of a material carbonaceous capable of acting as a microwave sensor and catalyst in decomposition reactions, and with inputs and outputs for the starting gases and the synthesis gas produced, respectively.

Finalmente, otro aspecto de la invención lo constituye el uso del procedimiento y del dispositivo de la invención para la producción de gas síntesis.Finally, another aspect of the invention is constitutes the use of the procedure and the device of the invention for the production of synthesis gas.

Descripción detalladaDetailed description

La presente invención se basa en que los inventores han observado que es posible la conversión de un gas que contiene CH_{4} y CO_{2} en gas de síntesis (gas rico en H_{2} + CO) utilizado catalizadores distintos de los metálicos y que actúan al mismo tiempo como captadores de microondas, lo que facilita alcanzar la temperatura necesaria en este proceso.The present invention is based on the fact that inventors have observed that it is possible to convert a gas that  Contains CH4 and CO2 in synthesis gas (gas rich in H 2 + CO) used catalysts other than metal and which act at the same time as microwave sensors, which It facilitates reaching the necessary temperature in this process.

Más concretamente, en la presente invención se describe un nuevo procedimiento para convertir biogás, o cualquier gas que comprenda CH_{4} y CO_{2}, cualesquiera que sean las proporciones, en gas de síntesis (gas rico en H_{2} + CO) de elevada pureza, es decir, prácticamente libre de cualquier otro gas (ver Ejemplo 1 y 2). Este procedimiento se basa en hacer pasar el biogás a través de un lecho de un material carbonoso, preferentemente un carbón activado granular o un carbonizado, el cual a su vez se encuentra irradiado por una fuente de microondas. En estas condiciones y trabajando a la potencia adecuada el lecho alcanza una temperatura y unas condiciones tales que se produce la descomposición del CH_{4} a H_{2} y C. De forma simultánea los depósitos de carbono, formados sobre los centros activos del catalizador carbonoso, son gasificados in situ por el CO_{2} presente en el gas, convirtiéndolos en CO y recuperando así los centros activos (reacciones 1 y 2).More specifically, in the present invention a new method for converting biogas, or any gas comprising CH4 and CO2, whatever the proportions, into synthesis gas (gas rich in H2 + +) is described. CO) of high purity, that is, practically free of any other gas (see Example 1 and 2). This procedure is based on passing the biogas through a bed of a carbonaceous material, preferably a granular activated carbon or a carbonized one, which in turn is irradiated by a microwave source. Under these conditions and working at the proper power, the bed reaches a temperature and conditions such that the decomposition of CH 4 to H 2 and C. occurs simultaneously carbon deposits formed on the active centers of the carbonaceous catalyst, they are gasified in situ by the CO2 present in the gas, converting them into CO and thus recovering the active centers (reactions 1 and 2).

1one

Así pues, el material carbonoso que actúa tanto de captador de las microondas como de catalizador mantiene sus propiedades catalíticas durante largos periodos de tiempo antes de verse afectado por los depósitos de carbono. El material carbonoso al captar las microondas, las absorbe y se calienta hasta las temperaturas de trabajo del procedimiento.So, the carbonaceous material that acts so much of microwave collector as catalyst maintains its catalytic properties for long periods of time before be affected by carbon deposits. Carbonaceous material when it captures the microwaves, it absorbs and heats them until working temperatures of the procedure.

De esta forma el proceso puede mantenerse con altas conversiones de CH_{4} a H_{2} durante largos periodos de tiempo antes de que sea necesario sustituir el material carbonoso. Como la gasificación de los depósitos de carbono, y de parte del material carbonoso usado como catalizador/captador, da lugar a CO, el resultado final es la obtención de un gas de síntesis de elevada pureza. Es decir, en los gases a la salida del reactor las proporciones de CH_{4} y CO_{2} que no han reaccionado son mínimas.In this way the process can be maintained with high conversions from CH4 to H2 for long periods of time before it is necessary to replace the carbonaceous material. As the gasification of carbon deposits, and part of the carbonaceous material used as catalyst / collector, gives rise to CO, the final result is to obtain a high synthesis gas purity. That is, in the gases at the outlet of the reactor the proportions of CH4 and CO2 that have not reacted are minimum

En resumen, este método por tanto presenta las siguientes ventajas con respecto a otros métodos:In summary, this method therefore presents the following advantages over other methods:

i) i)
no requiere del uso de vapor de agua ni de oxígeno.does not require the use of water vapor or oxygen.

ii) ii)
no requiere de un catalizador metálico, en general mucho más caro que un material carbonoso, si bien estos catalizadores metálicos podrían utilizarse mezclados en baja proporción con el material carbonoso (captador de microondas).does not require a metal catalyst, in general much more expensive than a carbonaceous material, although these metal catalysts could be used mixed in low proportion with the carbonaceous material (sensor of microwave).

iii) iii)
los catalizadores utilizados son de bajo coste como, por ejemplo, carbones activos o incluso residuos carbonosos provenientes de biomasa.The catalysts used are low cost such as active carbons or even carbonaceous residues from biomass.

iv) iv)
consume dos gases de efecto invernadero para dar lugar a gas de síntesis que puede ser utilizado como fuente para múltiples procesos químicos (obtención de metanol) y obtención de otros combustibles (H_{2}, diesel sintético, etc.),consumes two greenhouse gases to give place to synthesis gas that can be used as a source for multiple chemical processes (obtaining methanol) and obtaining other fuels (H2, synthetic diesel, etc.),

v) v)
permite variar en un amplio rango las proporciones CH_{4}/CO_{2} de la alimentación para obtener un gas de síntesis con las proporciones deseadas de H_{2}/CO dependiendo de la aplicación de que quiera dársele a dicho gas de síntesis.allows to vary in a wide range the proportions CH 4 / CO 2 of the feed to obtain a synthesis gas with the desired proportions of H2 / CO depending on the application that wants to be given to said synthesis gas.

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Por lo tanto, un aspecto de la presente invención lo constituye un procedimiento de obtención de gas de síntesis (gas rico en H_{2} + CO) a partir de un gas rico en CH_{4} y CO_{2}, en adelante procedimiento de la invención, basado en el uso de un material carbonoso que de forma simultánea actúa como catalizador y captador de microondas sometido a una radiación y calentamiento por microondas y que comprende las siguientes etapas:Therefore, an aspect of the present invention constitutes a method of obtaining gas from synthesis (gas rich in H2 + CO) from a gas rich in CH4 and CO2, hereinafter process of the invention, based on the use of a carbonaceous material that simultaneously acts as a catalyst and microwave collector subjected to a radiation and microwave heating and comprising the following stages:

i) i)
radiación y calentamiento por microondas del material carbonoso con microondas hasta alcanzar la temperatura de reacción, preferentemente entre 500ºC y 1000ºC, más preferentemente a 800ºC,radiation and microwave heating of carbonaceous material with microwave until the temperature of reaction, preferably between 500 ° C and 1000 ° C, more preferably at 800 ° C,

ii) ii)
paso del gas de partida mezcla de CH_{4} y CO_{2} a través del material de i) manteniendo la radiación y calentamiento por microondas, preferentemente entre 500ºC y 1000ºC, más preferentemente a 800ºC, ypassage of the starting gas mixture of CH4 and CO 2 through the material of i) maintaining the radiation and microwave heating, preferably between 500 ° C and 1000 ° C, more preferably at 800 ° C, and

iii) iii)
recuperación del gas de síntesis.synthesis gas recovery.

Un aspecto preferente de la invención lo constituye el procedimiento de la invención en el que existe una etapa previa de inertización del dispositivo utilizado con objeto de eliminar el aire del interior, por ejemplo, mediante nitrógeno (ver Ejemplo 1 y 2).A preferred aspect of the invention is it constitutes the process of the invention in which there is a previous inertization stage of the device used for the purpose of removing indoor air, for example, by nitrogen (see Example 1 and 2).

Otro aspecto preferente de la invención lo constituye el procedimiento de la invención en el que el material catalizador de i) es un material carbonoso capaz de absorber microondas, perteneciente a titulo ilustrativo y sin que limite el alcance de la invención, al siguiente grupo: un carbón activo, un carbón vegetal, un carbonizado, por ejemplo, proveniente de biomasa, un coque que puede ser de petróleo o de carbón mineral, materiales grafíticos, negros de carbón o de humo y otros carbones pirolíticos.Another preferred aspect of the invention is constitutes the process of the invention in which the material i) catalyst is a carbonaceous material capable of absorbing microwave, belonging to illustrative title and without limiting the scope of the invention, to the following group: an active carbon, a charcoal, a charred, for example, from biomass, a coke that can be petroleum or coal, graphite materials, carbon black or smoke and other coals pyrolytic

Otro aspecto preferente de la invención lo constituye el procedimiento de la invención en el que el material catalizador de i) contiene pequeñas cantidades de catalizadores metálicos, dependiendo del tipo de material carbonoso, como por ejemplo: K, Ca, Mg, Si, Cu, Zn, Fe, Al etc. Ver: A. Domínguez et al. J. Anal. Appl. Pyrolysis 79 (2007) 128-135; J.A. Menéndez et al. J. Anal. Appl. Pyrolysis 71 (2004) 657-667. Mezclas del catalizador carbonoso (además captador) con bajos porcentajes de catalizadores metálicos podrían ser útiles para aumentar las conversiones de los gases aumentarían, ya de por si muy elevadas.Another preferred aspect of the invention is the process of the invention in which the catalyst material of i) contains small amounts of metal catalysts, depending on the type of carbonaceous material, such as: K, Ca, Mg, Si, Cu, Zn, Faith, Al etc. See: A. Domínguez et al . J. Anal. Appl. Pyrolysis 79 (2007) 128-135; JA Menéndez et al . J. Anal. Appl. Pyrolysis 71 (2004) 657-667. Mixtures of the carbonaceous catalyst (plus collector) with low percentages of metal catalysts could be useful to increase the conversions of the gases would increase, already very high.

Otro aspecto preferente de la presente invención lo constituye el procedimiento de la invención en el que el gas de partida puede contener distintas proporciones de CH_{4} y CO_{2}, en función de las proporciones de H_{2}/CO que se desee obtener en el gas de síntesis que va a depender a su vez de la aplicación que se le quiera dar.Another preferred aspect of the present invention it is constituted by the process of the invention in which the gas of item may contain different proportions of CH4 and CO_ {2}, depending on the proportions of H2 / CO desired get in the synthesis gas that will depend in turn on the application that you want to give.

Otro objeto de la invención lo constituye un dispositivo o aparato necesario para llevar a cabo el procedimiento de la invención, en adelante dispositivo de la invención, constituido por un horno o dispositivo microondas capaz de inducir temperaturas de hasta 1000ºC, que comprende un lecho de un material carbonoso capaz de actuar como captador de microondas y catalizador en las reacciones de descomposición, y con entradas y salidas para los gases de partida y el gas de síntesis producido, respectivamente.Another object of the invention is a device or apparatus necessary to carry out the procedure of the invention, hereinafter device of the invention, constituted by an oven or microwave device capable of inducing temperatures up to 1000 ° C, comprising a bed of a material carbonaceous capable of acting as a microwave sensor and catalyst in decomposition reactions, and with inputs and outputs for the starting gases and the synthesis gas produced, respectively.

Finalmente, otro aspecto de la invención lo constituye el uso del procedimiento y del dispositivo de la invención para la producción de gas de síntesis.Finally, another aspect of the invention is constitutes the use of the procedure and the device of the invention for the production of synthesis gas.

Descripción de las figurasDescription of the figures

Figura 1.- Descomposición de CO_{2}. Descomposición de CO_{2} en presencia de un carbonizado a 800ºC en horno eléctrico (\sqbullet, HE800) y en horno microondas (\Box, HM800).Figure 1.- Decomposition of CO2 . Decomposition of CO 2 in the presence of a carbonized at 800 ° C in an electric oven (\, HE800) and in a microwave oven (\ Box, HM800).

Figura 2.- Descomposición de CH_{4}. Descomposición de CH_{4} en presencia de un carbonizado a 800ºC en horno eléctrico (\bullet, HE800) y en horno microondas (\circ, HM800).Figure 2.- Decomposition of CH4 . Decomposition of CH4 in the presence of a carbonized at 800 ° C in an electric oven ((HE800) and in a microwave oven (circHM800)

Figura 3.- Descomposición de la mezcla CO_{2}/CH_{4}. Descomposición de la mezcla CO_{2}/CH_{4} en presencia de un carbonizado a 800ºC en el horno eléctrico. (\sqbullet, CO_{2}; \bullet, CH_{4}).Figure 3.- Decomposition of the CO 2 / CH 4 mixture . Decomposition of the CO2 / CH4 mixture in the presence of a carbonized at 800 ° C in the electric oven. (\ sqbullet, CO_ {2}; \ bullet, CH_ {4}).

Figura 4.- Descomposición de la mezcla CO_{2}/CH_{4}. Descomposición de la mezcla CO_{2}/CH_{4} en presencia de un carbonizado a 800ºC en el horno microondas. (\Box, CO_{2}; \circ, CH_{4}).Figure 4.- Decomposition of the mixture CO 2 / CH 4 . Decomposition of the CO 2 / CH 4 mixture in the presence of a carbonized at 800 ° C in the microwave oven. (\ Box, CO_ {2}; \ circ, CH_ {4}).

Figura 5.- Descomposición de CO_{2}. Descomposición de CO_{2} en presencia de un carbón activo a 800ºC en horno eléctrico (\sqbullet, HE800) y en horno microondas (\Box, HM800).Figure 5.- Decomposition of CO2 . Decomposition of CO2 in the presence of an active carbon at 800 ° C in an electric furnace (?, HE800) and in a microwave oven (\ Box, HM800).

Figura 6.- Descomposición de CH_{4}. Descomposición de CH_{4} en presencia de un carbón activo a 800ºC en horno eléctrico (\bullet, HE800) y en horno microondas (\circ, HM800).Figure 6.- Decomposition of CH4 . Decomposition of CH 4 in the presence of an active carbon at 800 ° C in an electric furnace (,, HE800) and in a microwave oven (circ, HM800).

Figura 7.- Descomposición de la mezcla CO_{2}/CH_{4}. Descomposición de la mezcla CO_{2}/CH_{4} en presencia de un carbón activo a 800ºC en el horno eléctrico. (\sqbullet, CO_{2}; \bullet, CH_{4}).Figure 7.- Decomposition of the mixture CO 2 / CH 4 . Decomposition of the CO 2 / CH 4 mixture in the presence of an active carbon at 800 ° C in the electric oven. (\ sqbullet, CO_ {2}; \ bullet, CH_ {4}).

Figura 8.- Descomposición de la mezcla CO_{2}/CH_{4}. Descomposición de la mezcla CO_{2}/CH_{4} en presencia de un carbón activo a 800ºC en el horno microondas. (\Box, CO_{2}; \circ, CH_{4}).Figure 8.- Decomposition of the mixture CO 2 / CH 4 . Decomposition of the CO 2 / CH 4 mixture in the presence of an active carbon at 800 ° C in the microwave oven. (\ Box, CO_ {2}; \ circ, CH_ {4}).

Figura 9.- Esquema del Dispositivo de la invención.Figure 9.- Scheme of the Device of the invention .

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Ejemplos de la invenciónExamples of the invention Ejemplo 1Example 1 Producción de gas de síntesis a partir de una mezcla sintética CH_{4}/CO_{2} en presencia de un carbonizado procedente de un residuo vegetalProduction of synthesis gas from a synthetic mixture CH 4 / CO 2 in the presence of a carbonized from a vegetable waste 1.1.- Preparación del carbonizado y características químicas1.1.- Preparation of carbonized and characteristics chemical

El carbonizado se obtuvo a partir de un residuo procedente de la industria del café. Se utilizaron "pelets" de este residuo de aproximadamente 3 mm de diámetro x 2 cm de alto, las cuales fueron pirolizadas en un horno eléctrico a 1000ºC bajo atmósfera de nitrógeno, dando lugar al carbonizado. Las características químicas del carbonizado y de sus cenizas se muestran en la Tabla 1.The carbonized was obtained from a residue from the coffee industry. "Pellets" of this residue approximately 3 mm in diameter x 2 cm high, which were pyrolyzed in an electric oven at 1000ºC low nitrogen atmosphere, giving rise to carbonization. The chemical characteristics of carbonized and its ashes are shown in Table 1.

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TABLA 1TABLE 1 Principales características químicas del carbonizado y sus cenizasMain chemical characteristics of carbonized and its ashes

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1.2.- Condiciones experimentales1.2.- Experimental conditions

Las reacciones fueron llevadas a cabo en un horno eléctrico convencional y en un horno microondas unimodo a 800ºC. Para ello, se utilizó un reactor de cuarzo (45 cm alto x 2.2 cm d.i.).The reactions were carried out in a conventional electric oven and in a microwave oven unimode to 800 ° C. For this, a quartz reactor (45 cm high x 2.2) was used cm d.i.).

1.2.1.- Descomposición de los gases CO_{2} y el CH_{4} por separado1.2.1.- Decomposition of CO2 gases and the CH_ {4} separately

Los experimentos de descomposición del CO_{2} fueron realizados con 3,5 g de carbonizado (tamaño de partícula entre 1 y 3 mm) a través del cual se hizo pasar durante 30 min un flujo de CO_{2} de 60 cm^{3} min^{-1}, es decir, una velocidad espacial de 0,16 L g^{-1} h^{-1}. Mientras, los experimentos de descomposición del CH_{4} fueron realizados haciendo pasar durante 120 min un flujo de CH_{4} de 36 cm^{3} min^{-1} a través de 13 g del carbonizado (tamaño de partícula entre (0,5 y 3 mm), obteniéndose así una velocidad espacial de 0,16 L g^{-1} h^{-1}.The CO2 decomposition experiments were made with 3.5 g of carbonized (particle size between 1 and 3 mm) through which a 30 min was passed CO 2 flow of 60 cm 3 min -1, that is, a speed  space of 0.16 L g <-1> h <-1>. Meanwhile, the experiments of  decomposition of CH4 were performed by passing for 120 min a flow of CH 4 of 36 cm 3 min -1 at through 13 g of carbonized (particle size between (0.5 and 3 mm), thus obtaining a spatial velocity of 0.16 L g -1 h -1.

1.2.2.- Descomposición de la mezcla CO_{2} y CH_{4}1.2.2.- Decomposition of the CO2 mixture and CH_ {4}

Una mezcla CO_{2}/CH_{4} (1:1) se hizo pasar durante 120 min a través de 13 g del carbonizado utilizando para ambos gases un flujo de 36 cm^{3} min^{-1}, de tal manera que el flujo total fue de 72 cm^{3} min^{-1}, obteniéndose por lo tanto una velocidad espacial de 0,33 L g^{-1} h^{-1}.A CO2 / CH4 mixture (1: 1) was passed for 120 min through 13 g of the carbonized using to both gases a flow of 36 cm 3 min -1, such that the total flow was 72 cm 3 min -1, obtaining therefore both a spatial velocity of 0.33 L g <-1> h <-1>.

En todos los casos, antes de introducir los gases reactivos, el dispositivo fue inertizado haciendo pasar a través del reactor ya cargado con el carbonizado un flujo de nitrógeno de 60 cm^{3} min^{-1} durante 20 min. Después bajo esta atmósfera de nitrógeno, el sistema fue calentado hasta la temperatura de reacción (800ºC). Una vez alcanzada esta temperatura, el nitrógeno fue cerrado y se abrieron los gases de reacción. Al final de los experimentos se cerraron los gases de reacción y el sistema se enfrió bajo atmósfera de nitrógeno.In all cases, before entering reactive gases, the device was inertized by passing through the reactor already charged with the carbonized a flow of 60 cm3 nitrogen min -1 for 20 min. After low this atmosphere of nitrogen, the system was heated until the reaction temperature (800 ° C). Once reached this temperature, the nitrogen was closed and the gases of reaction. At the end of the experiments the gases of the reaction and the system was cooled under nitrogen atmosphere.

Los gases producidos durante los experimentos fueron recogidos en bolsas Tediar ® y analizados en un cromatógrafo de gases equipado con un detector TCD y dos columnas conectadas en serie. La primera de estas columnas es una Porapak Q (2 m x 1/8' x 2 mm) y la segunda un Tamiz Molecular 13X (1,5 m x 1/8' x 2 mm). Como gas portador se utilizó He con un flujo de 30 cm^{3} min^{-1}. Inicialmente, la temperatura del horno fue de 60ºC durante 1,5 min para después ser programada desde 60 hasta 90ºC a una velocidad de calentamiento de 30ºC min^{-1}. La temperatura fue mantenida constante durante 2 min para después ser bajada de nuevo a 60ºC a una velocidad de 50ºC min^{-1} manteniéndose a esta temperatura 2 min. El TCD fue calibrado con una mezcla de gases patrón periódicamente.The gases produced during the experiments were collected in Tediar ® bags and analyzed in a Gas chromatograph equipped with a TCD detector and two columns connected in series. The first of these columns is a Porapak Q (2 m x 1/8 'x 2 mm) and the second a 13X Molecular Screen (1.5 m x 1/8 'x 2 mm). He was used as a carrier gas with a flow of 30 cm 3 min -1. Initially, the oven temperature was 60ºC for 1.5 min and then be programmed from 60 to 90 ° C at a heating rate of 30 ° C min -1. The temperature was kept constant for 2 min and then be lowered again to 60 ° C at a rate of 50 ° C min -1 staying at this temperature 2 min. The TCD was calibrated with a mixture of standard gases periodically.

Las conversiones de CH_{4} y de CO_{2} fueron calculadas mediante las siguientes ecuaciones:The conversions of CH_ {4} and CO_ {2} They were calculated using the following equations:

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donde (CH_{4}), (H_{2}) , (CO_{2}) y (CO) son las concentraciones en tanto por ciento en volumen determinadas por cromatografía de gases.where (CH 4), (H 2), (CO 2) and (CO) are the concentrations as a percentage in volume determined by chromatography of gases

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    
1.3.- Resultados de la descomposición de CO_{2} y CH_{4} por separado y de la mezcla CO_{2} y CH_{4}1.3.- Results of the decomposition of CO2 and CH 4 separately and from the mixture CO 2 and CH 4

En las Figuras 1 y 2 se muestra los resultados obtenidos de la descomposición del CO_{2} y del CH_{4}, respectivamente, tanto en el horno eléctrico (HE) como en el horno microondas (HM), cuando los gases se hicieron pasar por separado a través del carbonizado.The results are shown in Figures 1 and 2 obtained from the decomposition of CO2 and CH4, respectively, both in the electric oven (HE) and in the oven microwave (HM), when the gases were passed separately to through carbonization.

En las Figura 3 y 4 se muestran los resultados obtenidos de la descomposición de la mezcla CO_{2} y CH_{4}, tanto en el horno eléctrico (HE) como en el horno microondas (HM), respectivamente.The results are shown in Figures 3 and 4 obtained from the decomposition of the mixture CO 2 and CH 4, both in the electric oven (HE) and in the microwave oven (HM), respectively.

Como se observa en la Figura 1 la descomposición del CO_{2} a CO es mucho mayor en el horno microondas que en el horno eléctrico, aunque en ambos casos se mantiene en valores superiores al 80% durante todo el experimento. Sin embargo, estas diferencias no son tan acusadas en el caso del CH_{4} donde los valores son muy altos al principio del experimento (100% en el caso del microondas) pero luego cae rápidamente debido al bloqueo de los centros activos del catalizador (carbonizado) por los depósitos generados en la descomposición del CH_{4}. No obstante, estos resultados son mejorados sustancialmente cuando la descomposición del CH_{4} se hace en presencia de CO_{2} (Figuras 3 y 4), sobre todo en el caso del calentamiento con horno de microondas donde la conversión del metano a hidrógeno es durante las dos horas del experimento superior al 80%. Esto es debido a la recuperación "in situ" de los centros activos bloqueados mediante su gasificación con el CO_{2}, lo cual permite que el metano se siga descomponiendo. Los resultados obtenidos en ambos hornos indican que esta limpieza de los centros activos está más favorecida con el calentamiento con microondas. Como resultado, en el calentamiento con microondas se obtiene un gas rico en la mezcla H_{2} y CO (gas de síntesis) y bajos valores de CH_{4} y de CO_{2}. La composición media del gas obtenido es: 56% de CO, 41% de H_{2}, menor de 3% de CH_{4} y menor de 0,5% de CO_{2}.As can be seen in Figure 1, the decomposition of CO2 to CO is much greater in the microwave oven than in the electric oven, although in both cases it is maintained at values greater than 80% during the whole experiment. However, these differences are not as pronounced in the case of CH4 where the values are very high at the beginning of the experiment (100% in the case of the microwave) but then falls rapidly due to the blocking of the active centers of the catalyst ( carbonized) by the deposits generated in the decomposition of CH4. However, these results are substantially improved when the decomposition of CH4 is done in the presence of CO2 (Figures 3 and 4), especially in the case of microwave heating where the conversion of methane to hydrogen it is during the two hours of the experiment greater than 80%. This is due to the " in situ " recovery of the active centers blocked by gasification with CO2, which allows methane to continue decomposing. The results obtained in both ovens indicate that this cleaning of the active centers is more favored with microwave heating. As a result, in the microwave heating, a rich gas is obtained in the mixture H 2 and CO (synthesis gas) and low values of CH 4 and CO 2. The average composition of the gas obtained is: 56% of CO, 41% of H2, less than 3% of CH4 and less than 0.5% of CO2.

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Ejemplo 2Example 2 Producción de gas de síntesis a partir de una mezcla sintética CH_{4}/CO_{2} en presencia de un carbón activo comercialProduction of synthesis gas from a synthetic mixture CH 4 / CO 2 in the presence of a commercial active carbon 2.1.- Características químicas del carbón activo comercial2.1.- Chemical characteristics of active carbon commercial

Se trata de un carbón activo procedente de cáscara de coco y activado con vapor, con un tamaño de partícula entre 0,5-2 mm (Filtaracarb FY5, CPL Carbonlink).It is an active carbon from coconut shell and steam activated, with a particle size between 0.5-2 mm (Filtaracarb FY5, CPL Carbonlink)

Las características químicas del carbón activo se muestran en la Tabla 2.The chemical characteristics of activated carbon They are shown in Table 2.

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TABLA 2TABLE 2 Principales características químicas del carbón activo comercialMain chemical characteristics of coal commercial asset

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2.2.- Condiciones experimentales2.2.- Experimental conditions

Las reacciones fueron llevadas a cabo en un horno eléctrico convencional y en un horno microondas unimodo a 800ºC. Para ello se utilizó un reactor de cuarzo (45 cm alto x 2.2 cm d.i.).The reactions were carried out in a conventional electric oven and in a microwave oven unimode to 800 ° C. For this, a quartz reactor (45 cm high x 2.2) was used cm d.i.).

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2.2.1.- Descomposición de los gases CO_{2} y el CH_{4} por separado2.2.1.- Decomposition of CO2 gases and the CH_ {4} separately

Los experimentos de descomposición del CO_{2} fueron realizados con 8 g de carbón activo a través del cual se hizo pasar durante 120 min un flujo de CO_{2} de 21 cm^{3} min^{-1}, es decir, una velocidad espacial de 0,16 L g^{-1} h^{-1}. Los experimentos de descomposición del CH_{4} fueron realizados haciendo pasar durante 120 min un flujo de CH_{4} de 36 cm^{3} min^{-1} a través de 13 g de carbón activo, resultando de nuevo una velocidad espacial de 0,16 L g^{-1} h^{-1}.The CO2 decomposition experiments were made with 8 g of activated carbon through which passed a flow of CO 2 of 21 cm 3 for 120 min min -1, that is, a spatial velocity of 0.16 L g -1 h -1. The CH4 decomposition experiments were made by passing a flow of CH4 of 36 cm 3 min -1 through 13 g of activated carbon, resulting in a spatial velocity of 0.16 L g -1 h -1.

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2.2.2.- Descomposición de la mezcla CO_{2} y CH_{4}2.2.2.- Decomposition of the CO2 mixture and CH_ {4}

Una mezcla CO_{2}/CH_{4} (1:1) se hizo pasar durante 260 min a través de 8 g del carbón activo comercial, utilizando para cada uno de los gases un flujo de 21 cm^{3} min^{-1}, de tal manera que el flujo total fue de 42 cm^{3} min^{-1}, y obteniéndose por tanto una velocidad espacial total de 0,31 L g^{-1} h^{-1}.A CO2 / CH4 mixture (1: 1) was passed for 260 min through 8 g of commercial active carbon, using for each of the gases a flow of 21 cm3 min -1, such that the total flow was 42 cm3 min -1, and thus obtaining a total spatial velocity of 0.31 L g <-1> h <-1>.

El procedimiento experimental en relación a la inertización y calentamiento del sistema, así como la recogida y análisis de los gases producidos, es igual al descrito en el Ejemplo 1. Por otro lado, las conversiones de CH_{4} y de CO_{2} fueron calculadas utilizando las ecuaciones descritas en el Ejemplo 1.The experimental procedure in relation to the inertization and heating of the system, as well as the collection and analysis of the gases produced, is the same as described in the Example 1. On the other hand, the conversions of CH_ {4} and CO_ {2} were calculated using the equations described in the Example one.

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2.3.- Resultados de la descomposición de CO_{2} y CH_{4} por separado y de la mezcla CO_{2} y CH_{4}2.3.- Results of the decomposition of CO2 and CH 4 separately and from the mixture CO 2 and CH 4

En las Figuras 5 y 6 se muestra los resultados obtenidos de la descomposición del CO_{2} y del CH_{4}, respectivamente, tanto en el horno eléctrico (HE) como en el horno microondas (HM), cuando los gases se hicieron pasar por separado a través del carbón activo.The results are shown in Figures 5 and 6 obtained from the decomposition of CO2 and CH4, respectively, both in the electric oven (HE) and in the oven microwave (HM), when the gases were passed separately to through active carbon.

En las Figuras 7 y 8 se muestran los resultados obtenidos de la descomposición de la mezcla CO_{2} y CH_{4} en el horno eléctrico (HE) y en el horno microondas (HM), respectivamente.The results are shown in Figures 7 and 8 obtained from the decomposition of the mixture CO 2 and CH 4 in the electric oven (HE) and the microwave oven (HM), respectively.

Al igual que en el Ejemplo 1, y tal y como se observa en la Figura 5, la descomposición del CO_{2} a CO es mucho mayor en el microondas (100%) que en el horno eléctrico (40%). De nuevo, en el caso de la descomposición de CH_{4} (Figura 6), estas diferencias no son tan acusadas y siguen la misma tendencia descrita en el Ejemplo 1. Cuando la descomposición del CH_{4} se hace en presencia de CO_{2} y en el horno eléctrico, la conversión de CH_{4} (Figura 7) mejora ligeramente, pero es en el caso del calentamiento con microondas (Figura 8) donde el valor de la conversión del metano aumenta sustancialmente, manteniéndose prácticamente en el 100% durante más de cuatro horas. Como ya ocurría en el caso del Ejemplo 1, en el calentamiento con microondas se obtiene un gas rico en la mezcla H_{2} y CO (gas de síntesis) y valores prácticamente nulos de CH_{4} y de CO_{2}. La composición media del gas obtenido es: 58% de CO, 41% de H_{2}, 1% de CH_{4} y \approx 0% de CO_{2}.As in Example 1, and as observed in Figure 5, the decomposition of CO2 to CO is much higher in the microwave (100%) than in the electric oven (40%) Again, in the case of the decomposition of CH4 (Figure 6), these differences are not as pronounced and follow the same trend described in Example 1. When the decomposition of CH4 is done in the presence of CO2 and in the electric oven, CH4 conversion (Figure 7) improves slightly, but it is in the case of microwave heating (Figure 8) where the value of methane conversion increases substantially, keeping practically 100% for more than four hours. As already occurred in the case of Example 1, in heating with In the microwave, a rich gas is obtained in the mixture H 2 and CO (gas synthesis) and practically null values of CH4 and CO2. The average composition of the gas obtained is: 58% of CO, 41% of H2, 1% of CH4 and \ approx 0% of CO2.

Claims (10)

1. Procedimiento de obtención de gas de síntesis (gas rico H_{2} y CO) a partir de un gas rico en CH_{4} y CO_{2} caracterizado porque se usa un material carbonoso que de forma simultánea actúa como catalizador y captador de microondas sometido a una radiación y calentamiento por microondas y que comprende las siguientes etapas:1. Procedure for obtaining synthesis gas (rich gas H 2 and CO) from a gas rich in CH 4 and CO 2 characterized in that a carbonaceous material is used that simultaneously acts as a catalyst and Microwave sensor subjected to radiation and microwave heating and comprising the following stages:
i) i)
radiación y calentamiento por microondas del material carbonoso con microondas hasta alcanzar la temperatura de reacción, preferentemente entre 500ºC y 1000ºC, más preferentemente a 800ºC,radiation and microwave heating of carbonaceous material with microwave until the temperature of reaction, preferably between 500 ° C and 1000 ° C, more preferably at 800 ° C,
ii) ii)
paso del gas de partida mezcla de CH_{4} y CO_{2} a través del material de i) manteniendo la radiación y calentamiento por microondas, preferentemente entre 500ºC y 1000ºC, más preferentemente a 800ºC, ypassage of the starting gas mixture of CH4 and CO 2 through the material of i) maintaining the radiation and microwave heating, preferably between 500 ° C and 1000 ° C, more preferably at 800 ° C, and
iii) iii)
recuperación del gas de síntesis.synthesis gas recovery.
2. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque se incluye una etapa previa de inertización del dispositivo utilizado con objeto de eliminar el aire del interior.2. The method according to claim 1, characterized in that a previous step of inerting the device used is included in order to remove the air inside. 3. Procedimiento según la reivindicación 2 caracterizado porque la inertización del dispositivo se lleva a cabo mediante nitrógeno.3. Method according to claim 2 characterized in that the inertization of the device is carried out by nitrogen. 4. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque el material catalizador de i) es un material carbonoso capaz de absorber microondas.4. Method according to claim 1 characterized in that the catalyst material of i) is a carbonaceous material capable of absorbing microwaves. 5. Procedimiento según la reivindicación 4 caracterizado porque el material carbonoso pertenece al siguiente grupo: un carbón activo, un carbón vegetal, un carbonizado, por ejemplo, proveniente de biomasa, un coque que puede ser de petróleo o de carbón mineral, materiales grafíticos, negros de carbón o de humo y otros carbones pirolíticos.5. Method according to claim 4 characterized in that the carbonaceous material belongs to the following group: an active carbon, a charcoal, a carbonized, for example, from biomass, a coke that can be petroleum or mineral coal, graphite materials, carbon or smoke blacks and other pyrolytic coals. 6. Procedimiento según la reivindicación 4 caracterizado porque el material catalizador incluye pequeñas cantidades de un catalizador metálico.6. Method according to claim 4 characterized in that the catalyst material includes small amounts of a metal catalyst. 7. Procedimiento según la reivindicación 6 caracterizado porque el catalizador metálico pertenece al siguiente grupo: K, Ca, Mg, Si, Cu, Zn, Fe y Al.7. Method according to claim 6 characterized in that the metal catalyst belongs to the following group: K, Ca, Mg, Si, Cu, Zn, Fe and Al. 8. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a la 7 caracterizado porque el gas de partida puede contener distintas proporciones de CH_{4} y CO_{2}.Method according to claims 1 to 7, characterized in that the starting gas may contain different proportions of CH4 and CO2. 9. Dispositivo o aparato necesario para llevar a cabo el procedimiento según las reivindicaciones 1 a la 8 caracterizado porque está constituido por un horno o dispositivo microondas capaz de inducir altas temperaturas, preferentemente hasta 1000ºC, que comprende un lecho de un material carbonoso capaz de actuar como captador de microondas y catalizador en las reacciones de descomposición, y con entradas y salidas para los gases de partida y el gas de síntesis producido, respectivamente.9. Device or apparatus necessary for carrying out the process according to claims 1 to 8, characterized in that it is constituted by an oven or microwave device capable of inducing high temperatures, preferably up to 1000 ° C, comprising a bed of a carbonaceous material capable of acting as a microwave sensor and catalyst in the decomposition reactions, and with inputs and outputs for the starting gases and the synthesis gas produced, respectively. 10. Uso del procedimiento y del dispositivo según las reivindicaciones 1 a la 9 para la producción de gas síntesis.10. Use of the procedure and the device according to claims 1 to 9 for gas production synthesis.
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