Procesos de transformación de la biomasa

Magín LapuertaAMMT-ETSII-UCLM

Ciudad Real, Diciembre 2003

II Ciclo de Conferencias sobre Tecnología Agraria

EUITA

INTRODUCCION

Características poco adecuadas para su aprovechamiento directo Solución: Transformación de propiedades físico-químicas Objetivo: Adaptación a instalaciones de aprovechamiento energético

Clasificación:Procesos termoquímicosProcesos químicos o bioquímicosProcesos biológicosProcesos físicos

Mezclado o emulsificación

SecadoDescomposición

catalítica

Reformado catalítico

Pirólisis

Gasificación

Combustión

PROCESOS DE TRANSFORMACION

Termoquímicos

Fab. Éteres

Fermentación alcohólica

Transesterificación

Químicos o bioquímicos

Compostaje

Digestión anaerobia

Biológicos

Densificación: peletizado

o briquetado

Prensado

Triturado

Físicos

Fischer-Tropsch

PROCESOS TERMOQUIMICOS

Modificación de las características químicas de la biomasa Procedimiento: Provocar inicio o elevar temperatura Parámetro diferenciador: grado de oxidación Objetivos:

Obtención directa de energía térmica o termomecánicaConseguir combustibles de mejores características para una posterior combustión:

Líquidos Gases

PROCESOS TERMOQUIMICOS

Combustión Oxidación completa de la biomasa Oxidante: aire, en cantidad superior a la estequimétrica Consecuencia: liberación de calor y generación de productos combustión:

Biomasa + Aire = Calor + N2 + CO2 + H2O + O2 (exceso) + Inquemados + Cenizas

Objetivo: Utilización del calor: Aplicaciones térmicas: calefacción, procesos industriales Conversión termo-mecánico-eléctrica: energía eléctrica

Procedimiento más habitual:Calderas u hornos de parrilla o lecho fluido

COMBUSTION

Enemansa (Villarta de San Juan)

PROCESOS TERMOQUIMICOS Gasificación

Oxidación parcial de la biomasa Agente gasificante: aire (ocasionalmente enriquecido) y vapor, con contenido en oxígeno subestequimétrico Consecuencia: calor (+ ó -) y productos de gasificación:

Biomasa + Agente = Calor (+ ó -) + N2 + H2O + CO + H2 + CH4 + Partículas (alcalinas o carbonosas) + Alquitranes + Cenizas (volantes o escorias)

Carácter: Exotérmico o endotérmico en función de tamaño y composición del agente. Objetivo: generación de un gas combustible, para

Generación térmica: quemador Generación mecánica (bombeo, ¿transporte?): MCIA Generación eléctrica: MCIA o TG

Procedimientos más habituales (dep. tamaño del grano):Hogares de parrila (contracorriente o equicorriente)Lecho fluidoLecho circulante

GASIFICACION

PROCESOS TERMOQUIMICOS Pirólisis

Degradación térmica en ausencia de oxígeno (o en proporción muy baja) Controlante: perfil de temperatura (hasta 500ºC) Consecuencia: productos de pirólisis

Biomasa + Calor = Gas + Bio-óleo (líquido) + Residuo (sólido) Carácter: endotérmico Objetivo: generación de bio-óleo (+ gas combustible), para

Generación térmica: calderas Generación eléctrica: MCIA

Necesidad de post-tratamientos (inestable, corrosivo, aglomerante): filtrado emulsionado diluído

PROCESOS QUIMICOS O BIOQUIMICOS

Modificación de las características químicas de la biomasa (natural, prensada o químicamente procesada)

Procedimiento: Reacción química con otro reactivo + catalizador Parámetros diferenciadores:

tipo de biomasatipo de reactivo (biológico: proceso bioquímico)tipo de reaccióncinética de la reacción (catalizador)

Objetivos:Obtención de combustible de mejores características para una posterior combustión:

LíquidosGases

PROCESOS QUIMICOS O BIOQUIMICOS

Transesterificación Materia prima: Aceite procedente del prensado de semillas oleaginosas Reactivo: Alcohol (metanol) o bioalcohol (etanol) Reacción:

Aceite + Alcohol = Ester + GlicerinaCatalizador: básicos (NaOH, KOH), ácidos o biológicosObjetivos: Ester

Sustitución parcial o total de gasóleos (propiedades similares o mejores)

Aplicación: motores Diesel Transporte Generación eléctrica

Coproducto: Glicerina (farmacia, cosmética, química)

TRANSESTERIFICACION

MATERIAS PRIMAS

- Metanol/Etanol

- Aceites fritos- Aceite de girasol- Brassica carinata

TRANSESTE-RIFICACIÓN

ALCOHOL

BIODIESEL

GLICERINA

SEPARACION

ALCOHOL

GLICERINA

BIODIESEL

ACONDICIONAMIENTO

PURIFICACIÓN

GLICERINA (82%)AcidosGrasos

FosfatoPotásico

BIODIESEL PURIFICADO

RECUPERACIÓN

- Catalizador

PROCESOS QUIMICOS O BIOQUIMICOS Fermentación alcohólica

Materia prima: :Mosto procedente de prensado de materia azucaradaMosto procedente de conversión encimática del almidón de materia amiláceaMateria celulósica (proceso en desarrollo)

Reactivo: Levadura Reacciones:

Hidrólisis del almidón: 2 C6H10O5 (Almidón) + H2O = C12H22O11 (Sacarosa, ...) Sacarificación: C12H22O11 + H2O = 2 C6H12O6 (Glucosa, Fructosa, ...) Fermentación: C6H12O6 + Lev. = 2 C2H5OH (Etanol) + CO2

Postratamiento: DestilaciónObjetivos: Etanol

Sustitución parcial de gasolinas (propiedades similares o mejores)Fabricación de éteres (componentes antidetonantes)

Aplicación: motores de encendido por chispa (y mezclas diesel): Transporte

FERMENTACION ALCOHOLOICA

PROCESOS QUIMICOS O BIOQUIMICOS

Fabricación de éteres Materia prima: Bioetanol Reactivo: iso-olefinas (principalmente isobuteno) Reacciones:

C2H5OH (Etanol) + (CH3)2-C=CH2 (i-buteno) = (CH3)3-C-O-CH2-CH3 (ETBE) C2H5OH (Etanol) + CH3-C2H5-C=CH2 (i-penteno) = (CH3)3-C-O-CH2-CH3 (TAEE)

Condiciones: 10 bar, 250ºC y catalizadores metálicosObjetivo: Eteres (origen biológico solo en un 45% en peso)

Sustitución parcial de gasolinas y aditivos antidetonantesAplicación: motores de encendido por chispa: Transporte

PROCESOS QUIMICOS O BIOQUIMICOS Reformado catalítico

Materia prima: Biomasa sometida a proceso previo termoquímico o bioquímico Condiciones: medio catalítico Reacciones:

Con vapor (SR): Biocombustible (l ó g) + vapor (420-430ºC) + Ni = CO + H2 (end.) Con aire (POX): Bioc (l ó g) + aire (subesteq.) + Cat. = CO + H2 + N2 (exot.) Con aire y vapor (ATR): Bioc + vapor + aire (subesteq.) + Cat. = CO + H2 + N2 (ad.)

Preprocesados (para evitar envenenamiento de catalizadores): Hidrodesulfuración (con Ni/Mo o Co/Mo a 360ºC, 30 atm)

Postprocesados (para aumentar contenido en H2): Hidratación a 380ºC: CO + H2O = CO2 + H2

Objetivo: H2 para combustión directa o para pilas de combustible Aplicaciones: Transporte

Reformador en estación de servicioReformador a bordo

REFORMADO CATALITICO

PROCESOS QUIMICOS O BIOQUIMICOS

Descomposición térmica catalítica Materia prima: Biomasa sometida a proceso previo termoquímico o bioquímico Condiciones: ausencia de oxígeno, medio catalítico Reacción:

Biocombustible (l ó g) + Cat. (Ni, Fe) (600-900ºC) = C + H2

Objetivo: H2 para combustión directa o para pilas de combustible

PROCESOS QUIMICOS O BIOQUIMICOS

Fischer-Tropsch Materia prima: Biomasa sometida a gasificación o reformado catalítico (SR) Condiciones: medio catalítico y alta presión Reacción:

Gas (g) + Cat. (Co, Fe) (180-400ºC, 20 bar) = Combustible parafínico lineal (l)

Objetivo: Conversión de gas a líquido (gasolina, gasoil y keroseno), sin aromáticos ni azufre Aplicaciones: transporte

Motores diesel Motores de encendido por chispa Turbinas de gas

PROCESOS BIOLOGICOS

Modificación de las características fisico-químicas de biomasa residual

Procedimiento: Reacción química con agentes biológicos Parámetros diferenciadores:

tipo de biomasa condiciones de aireación, humedad y temperatura

Objetivos:Obtención de combustible gaseoso o de abonos

PROCESOS BIOLOGICOS Digestión anaerobia

Materia prima: Biomasa húmeda (residuos urbanos, industriales, agrícolas o ganaderos) Condiciones: ausencia de oxígeno, entre 10 y 70ºC, y medio bacteriano Fases:

Hidrólisis: Lípidos + Proteínas + Carbohidratos + H2O = ácidos grasos + aminoácidos + azúcares Acidogénesis: ácidos grasos + bacterias acidogénicas = ácidos volátiles + CO2 + H2 Acetogénesis: ácidos grasos volátiles + bacterias acetogénicas = AcetatoMetanogénesis: CO2 + H2 + acetato + bacterias metanogénicas = Metano

Cinética: Estiercol vacuno o porcino: 115 días Paja: 80 a 120 días Hierba: 25 días

Objetivo: Gas rico en Metano (50-70%) + CO2 (35-40%) + H2 (1-3%) Postratamiento: Enriquecimiento por absorción de CO2 Aplicaciones (quemadores, MCIA): Industria agroalimentaria, explotaciones ganaderas, plantas depuradoras de aguas residuales

DIGESTION ANAEROBIA

Garraf (Barcelona) Sagunto (Valencia)

PROCESOS BIOLOGICOS Compostaje (fermentación + maduración aerobias)

Materia prima: Biomasa sólida residual (paja, basuras, madera, lodos, residuos agroalimentarios) Sólidos deshidratados procedentes de la digestión anaerobia

Condiciones: aireación a temperatura y humedad controladas Fases:

Termófila: Descomposición o fermentación: destruye bacterias patógenas Fermentación natural (lenta: 8 semanas). Sistemas abiertos Fermentación forzada (rápida: 2-3 semanas). Sistemas cerrados (túneles)

Mesófila: maduración: actividad bacteriana no patógena. Sist. abierto. 7 semanas Estabilización Homogeneización

Aplicación: Abono para agricultura intensiva de invernadero

PROCESOS FISICOS

Modificación de las características físicas de la biomasa Objetivos

Mejorar las condiciones de transporte y almacenamientoHacer posible o más eficaz su aprovechamiento energético directoMejorar la eficacia de posteriores procesos químicos o termoquímicos

Parámetros diferenciadores:Tipo de biomasa (sólida o líquida)Tipo de maquinaria de aplicación

Características a mejorar:GranulometríaDensidadViscosidad

PROCESOS FISICOS

Triturado Materia prima: biomasa sólida Objetivo:

disminuir el tamaño del grano (trituradora, molino) homogeneizar la biomasa (tamiz)

Beneficios: evita dispersiones de funcionamiento permite alimentación por inyección aumenta la relación superficie/volumen, y por tanto la reactividad en reacciones superficiales

PROCESOS FISICOS

Prensado Materia prima: biomasa sólida oleaginosa, amilácea o azucarada Objetivo:

Extraer contenido de líquidos: aceite, almidón, mostoConsecuencia:

Mayor capacidad de almacenamiento energético Mejor eficiencia de los procesos de transformación química

PROCESOS FISICOS Densificación (peletizado, briquetado)

Materia prima: biomasa sólida Beneficios:

Revalorización y eliminación de residuos Abaratamiento de transporte y almacenamiento Densificación Manejabilidad Friabilidad: se desmenuza fácilmente

Peletizado: Materia prima: biomasa lignocelulósica residual (papel, astillas, serrín, restos de tableros, carbón vegetal, pieles) Pélet: pastillas de pequeño tamaño Aplicaciones: chimeneas caseras, estufas, calderas residenciales e industriales

Briquetado: Materia prima: biomasa lignocelulósica residual (tallos, cortezas, cartones, contrachapados, algodón, paja, carbón vegetal, podas, RSU) Briquetas: cilindros o paralelepípedos de mayor tamaño (ladrillos) Aplicaciones: chimeneas caseras, calderas residenciales, fabricación de pélets

PELETIZADO

PROCESOS FISICOS Secado

Materia prima: 1. Biomasa sólida húmeda 2. Biocombustibles en disolución acuosa

Objetivos: Disminuir el contenido en agua (secadero, centrifugadora) (1) Separar componentes (destilador) (2)

Beneficios (1): Abaratar transporte Evitar autocombustión en almacenamiento Mejorar eficiencia de procesos termoquímicos (combustión, gasificación)

Beneficios (2): Mejorar eficiencia en combustión Evitar desetabilización de mezclas alcohol / gasolina Evitar corrosión en máquinas

PROCESOS FISICOS Mezclado o emulsificación:

Materia prima: Combustible líquidos o combustible líquido y agua

Mezclado: líquidos miscibles

Objeto: Diluir combustible de peor calidad sin gran perjuicio de propiedades

Emulsificación: líquidos inmiscibles

Objeto:

Homogeneizar mezcla

Mejorar propiedades físicas (viscosidad) o termodinámicas (Cp)

Procedimiento: Generación de ultrasonidos en presencia de emulgente

Procesos de transformación de la biomasa

Magín LapuertaAMMT-ETSII-UCLM

Ciudad Real, Diciembre 2003II Ciclo de Conferencias

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FIN