Procesos de transformación de la biomasa

1. Ciudad Real, Diciembre 2003 II Ciclo de Conferencias sobre Tecnología Agraria EUITA Procesos de transformación de la biomasa Magín Lapuerta AMMT-ETSII-UCLM

2. INTRODUCCION • Características poco adecuadas para su aprovechamiento directo • Solución: Transformación de propiedades físico-químicas • Objetivo: Adaptación a instalaciones de aprovechamiento energético • Clasificación: • Procesos termoquímicos • Procesos químicos o bioquímicos • Procesos biológicos • Procesos físicos

3. PROCESOS DE TRANSFORMACION • Químicos o bioquímicos • Físicos • Termoquímicos • Biológicos Transesterificación Triturado Combustión Digestión anaerobia Fermentación alcohólica Prensado Gasificación Compostaje Fab. Éteres Densificación: peletizado o briquetado Pirólisis Reformado catalítico Secado Descomposición catalítica Mezclado o emulsificación Fischer-Tropsch

4. 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 termomecánica • Conseguir combustibles de mejores características para una posterior combustión: • Líquidos • Gases

5. 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

6. COMBUSTION Enemansa (Villarta de San Juan)

7. 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 fluido • Lecho circulante

8. GASIFICACION

9. 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

10. 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 biomasa • tipo de reactivo (biológico: proceso bioquímico) • tipo de reacción • cinética de la reacción (catalizador) • Objetivos: • Obtención de combustible de mejores características para una posterior combustión: • Líquidos • Gases

11. PROCESOS QUIMICOS O BIOQUIMICOS • Transesterificación • Materia prima: Aceite procedente del prensado de semillas oleaginosas • Reactivo: Alcohol (metanol) o bioalcohol (etanol) • Reacción: • Aceite + Alcohol = Ester + Glicerina • Catalizador: básicos (NaOH, KOH), ácidos o biológicos • Objetivos: Ester • Sustitución parcial o total de gasóleos (propiedades similares o mejores) • Aplicación: motores Diesel • Transporte • Generación eléctrica • Coproducto: Glicerina (farmacia, cosmética, química)

12. BIODIESEL PURIFICADO RECUPERACIÓN ALCOHOL - Metanol/Etanol PURIFICACIÓN ALCOHOL BIODIESEL GLICERINA MATERIAS PRIMAS TRANSESTE- RIFICACIÓN SEPARACION BIODIESEL - Catalizador - Aceites fritos - Aceite de girasol - Brassica carinata GLICERINA ACONDICIONAMIENTO Fosfato Potásico Acidos Grasos GLICERINA (82%) TRANSESTERIFICACION

13. PROCESOS QUIMICOS O BIOQUIMICOS • Fermentación alcohólica • Materia prima: : • Mosto procedente de prensado de materia azucarada • Mosto procedente de conversión encimática del almidón de materia amilácea • Materia 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: Destilación • Objetivos: Etanol • Sustitución parcial de gasolinas (propiedades similares o mejores) • Fabricación de éteres (componentes antidetonantes) • Aplicación: motores de encendido por chispa (y mezclas diesel): Transporte

14. FERMENTACION ALCOHOLOICA

15. 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 metálicos • Objetivo: Eteres (origen biológico solo en un 45% en peso) • Sustitución parcial de gasolinas y aditivos antidetonantes • Aplicación: motores de encendido por chispa: Transporte

16. 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 servicio • Reformador a bordo

17. REFORMADO CATALITICO

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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 = Acetato • Metanogénesis: 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

22. DIGESTION ANAEROBIA Garraf (Barcelona) Sagunto (Valencia)

23. 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

24. PROCESOS FISICOS • Modificación de las características físicas de la biomasa • Objetivos • Mejorar las condiciones de transporte y almacenamiento • Hacer posible o más eficaz su aprovechamiento energético directo • Mejorar la eficacia de posteriores procesos químicos o termoquímicos • Parámetros diferenciadores: • Tipo de biomasa (sólida o líquida) • Tipo de maquinaria de aplicación • Características a mejorar: • Granulometría • Densidad • Viscosidad

25. 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

26. PROCESOS FISICOS • Prensado • Materia prima: biomasa sólida oleaginosa, amilácea o azucarada • Objetivo: • Extraer contenido de líquidos: aceite, almidón, mosto • Consecuencia: • Mayor capacidad de almacenamiento energético • Mejor eficiencia de los procesos de transformación química

27. 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

28. PELETIZADO

29. 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

30. PROCESOS FISICOS • Mezclado oemulsificación: • 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

31. II Ciclo de Conferencias sobre Tecnología Agraria EUITA Ciudad Real, Diciembre 2003 FIN Procesos de transformación de la biomasa Magín Lapuerta AMMT-ETSII-UCLM