Conversión Termoquímica de Biomasa para obtención de Bio oil

PIRÓLISIS RÁPIDA DE BIOMASA

Investigadores de nuestra casa de estudios desarrollaron una tecnología propia de pirólisis flash para la elaboración de bio oil a partir de aserrín y otros residuos forestales, que tiene como base un sistema de lechos fluidos múltiples.El creciente interés en la promoción de políticas energéticas que apuntan a dar mayor estabilidad al desarrollo económico, en un escenario de escasez de las energías tradicionales, ha impulsado la búsqueda de fuentes alternativas a éstas y, por tanto, de tecnologías para su obtención.

En este escenario se ha producido una revitalización de las tecnologías de pirólisis de biomasa -descomposición química del material a altas temperaturas en ausencia de oxígeno- particularmente la pirólisis flash (ultra rápida) para generar un combustible líquido llamado bio oil. Siguiendo esa tendencia y como parte de un proyecto Fondef iniciado en 2009, investigadores de nuestra casa de estudios desarrollaron una tecnología propia de pirólisis flash para la elaboración de bio oil a partir de aserrín y otrosresiduos forestales, que tiene como base un sistema de lechos fluídos múltiples, creado por el académico de Ingeniería Metalúrgica, Igor Wilkomirsky -también con apoyo de Fondef para Codelco y Cementos Bío Bío- destinado a la neutralización de gases.
Wilkomirsky, director alterno de la iniciativa, explica que hoy existen tecnologías de pirólisis flash para la obtención de bio oil en Estados Unidos y Canadá y varias en desarrollo en distintos países de Europa, pero todas –aclara- “distintas a la nuestra”.
La tecnología local consta de 3 reactores con lechos fluidizados en serie, más un sistema rápido de condensación que ya han sido probados a través de una planta piloto instalada en la Unidad de Desarrollo Tecnológico (UDT) de la Universidad.
Los tres reactores operan simultáneamente y en serie. En el primero se calienta una arena fina de cuarzo fluidizada, que recircula permanentemente entre los 3 reactores para mantener la temperatura; mientras que en el segundo, se piroliza el aserrín. El tercero aporta temperatura al sistema, con gases calientes originados en la descarga de la arenilla del reactor de pirólisis y la combustión del carboncillo resultante del procesamiento flash de pirólisis del aserrín.
Los vapores generados en el proceso son enfriados y condensados en forma rápida para obtener finalmente el bio oil.
Es un proceso instantáneo, que –explica- ocurre “idealmente en una fracción de segundo” y que, por otro lado, prácticamente no genera emisiones. “La generación neta de dióxido de carbono es cero o neutra, en comparación con el petróleo que sí aumenta el contenido del C02 en el ambiente”.
Este diseño original ha dado pie a la solicitud de patentes –en Chile, Estados Unidos, Canadá, Brasil y la Unión Europea- tanto para el sistema de 3 reactores como para el de enfriamiento.
Las pruebas en planta muestran que por cada kilo de materia prima se producen entre 600 y 700 gramos de bio oil, un combustible equivalente al fuel 6, aunque de menor poder calorífico, que puede ser usado en calderas, hornos de cemento y sistemas de calefacción central en edificios grandes y, si es refinado, eventualmente podría llegar a ser utilizado en vehículos.
Y si bien sólo tiene un 55% del poder calorífico del petróleo diesel, sus costos de producción aparecen bastante convenientes. “El valorde producción, todavía en cifras muy preliminares, sería de más o menos 40 dólares el barril contra 100 del petróleo diesel. Por lo tanto es competitivo a pesar de tener menor poder calorífico”, afirma.
En los primeros ensayos, la planta ha operado con hasta 30 kilos de aserrín por hora, pero en capacidad plena se estima podría llegar a 50 kilos. “Eso significaría procesar 1.2 toneladas (de aserrín) al día, si la planta estuviera en trabajo continuo”, señala Wilkomirsky.
Completamente armada en la UDT, la unidad de pruebas ha demostrado la factibilidad de producir el combustible líquido. Sin embargo aún hay algunas dificultades que superar y que, como indica el académico, son propias de la aventura de desarrollar una nueva tecnología. A pesar de esto, los investigadores están conformes con los avances alcanzados hasta el momento.
Los resultados obtenidos y el diseño de la planta permiten inferir que el escalamiento a una unidad comercial puede hacerse en forma lineal para la mayoría de los componentes del sistema. “Plantas comerciales podrían tratar desde 10 a 100 toneladas de aserrín por día, con un costo de inversión premilitar estimado de 5 a 30 millones de dólares”, afirma el doctor Wilkomirsky.

Productos de alto valor

El proyecto considera además una estrategia de refinación del bio oil, en una serie de fraccionamientos, para obtener de manera selectiva productos químicos de alto valor y demanda en el mercado.

Entre las alternativas que se barajan en el proyecto está el desarrollo de nuevas resinas naturales, del tipo fenolformaldehído, para reemplazar las de origen sintético, y el uso de fracciones del combustible para la formulación de aditivos de ensilaje.

El negocio integrado de productos químico-combustibles permite agregar valor a los residuos forestales y sustituir productos importados derivados del petróleo, disminuyendo así la dependencia del país del petróleo; realizando, además, un aporte a la diversificación energética.

Originalmente en: Revista I+D UdeC

NUESTRO TRABAJO

Proyectos

  • Innova Chile (CORFO): “Pirólisis Flash de Lignina Residual”.
  • Fondef (CONICYT): “Obtención de Productos Químicos de Alto Valor y Combustible Líquido Mediante Conversión Termoquímica de Biomasa-BtFC “.

Patentes

Equipo y proceso para producir bio-combustible mediante pirolisis rápida de material orgánico que comprende un sistema de tres reactores de lecho fluidizado en serie, reactor inferior de combustión, intermedio de pirolisis rápida y superior de precalentamiento, además de un sistema neumático de recirculación de material particulado.

INVENTOR: IGOR WILKOMIRSKY

Equipo de enfriamiento rápido para vapores orgánicos o inorgánicos que comprende un cuerpo doble cónico truncado vertical con camisa externa de refrigeración, cámara anular, cono central interno con un sistema interno de enfriamiento y una zona inferior de acumulación de líquido con sistema de drenaje y ciclones.

INVENTOR: IGOR WILKOMIRSKY

Proceso para obtener tall oil mediante una solución de sesquisulfato de sodio.

INVENTORES: JEAN PAUL REDÓN

Pellets combustible útil para la calefacción domiciliaria o comercial.

INVENTORES: IGOR WILKOMIRSKY, ALEX BERG, FRANCO MURILLO

Procedimiento para generar briquetas combustibles a partir de ceniza volante obtenida de residuos de calderas de biomasa forestal y dicha briqueta que comprende mezcla de cenizas livianas y uno o más aglomerantes.

INVENTORES: JUAN CARLOS CARRASCO, ARCADIO ULLOA.

PRODUCTOS Y SERVICIOS

Productos

Los productos comerciales de la pirólisis rápida son el líquido de pirólisis o bio oil y el sub- producto sólido carboncillo.

El bio oil sin refinar es un combustible industrial para calderas y hornos, con un poder calorífico por unidad de volumen de aprox. 50% del petróleo #6.

El bio oil es también una interesante fuente de productos químicos. Es posible fraccionar el bio oil en lignina pirolítica y una fracción acuosa, ambas con aplicaciones comerciales directas. La lignina pirolítica puede sustituir parcialmente fenol en la fabricación de resinas fenólicas, mientras la fase acuosa se emplea como humo líquido para el ahumado controlado de carnes y pescados. La fase acuosa contiene azúcares y ácidos de interés para la industria de alimentos para animales.

A partir del subproducto carbón se puede obtener carbón activado. También existe la posibilidad de reciclar el carboncillo, muy liviano y poroso, como mejorador de suelo, dado que en el se concentra la mayor parte del contenido de minerales de la biomasa pirolizada.

Servicios

La pirólisis se adapta a todo tipo de biomasa seca con un tamaño de partículas de < 3 mm. la UDT dispone de una planta piloto para realizar pruebas con diferentes tipos de biomasa.

APLICACIONES

Obtención de Bio Oil a partir de Pirólisis Flash.

Pirólisis se define como la degradación térmica de un residuo en ausencia de un agente oxidante, específicamente la pirólisis de biomasa se realiza desde hace más de 6000 años al realizar la destilación lenta de madera por calentamiento de 400 – 600 ºC con la finalidad de producir carbón. Este proceso de manera simple transforma el 60 a 70% en peso de la madera en un combustible de fácil manejo y con buenas cualidades de combustión, por lo que actualmente se realiza alrededor de todo el mundo.
La destilación o pirólisis térmica de la madera y de otros productos de origen orgánico vegetal como aserrín, paja de trigo, de avena, etc., ha generado un nuevo interés en las últimas dos décadas, ya que si ésta se efectúa en forma rápida la carbonización se reduce significativamente a solo 10-15% de la masa inicial, formándose una fracción gaseosa de vapores condensables que representan hasta el 75% en peso de la alimentación, y que al condensarse generan un líquido llamado bio-combustible o bio oil, quedando entre 10-20% de un gas combustible no condensable.
El bio-combustible generado contiene cerca de 20 veces por unidad de peso el calor de combustión respecto del calor de combustión contenido en el material orgánico que le dio origen, lo cual lo hace más económico, fácil de emplear, manipular y transportar. Este bio-combustible crudo puede ser empleado directamente como combustible en ciertas aplicaciones como calderas y hornos de cemento, o bien, puede ser refinado para producir un equivalente al combustible diesel para motores. Otras opciones también existen, como la gasificación para producir combustibles sintéticos y la obtención de productos químicos derivados. El gas no condensable generado también se puede combustionar directamente o incorporar a una red de gas existente.
Debido a que el empleo de material de origen ligno-celulósico (vegetal) para obtener bio-combustibles cierra el ciclo de generación y consumo de dióxido de carbono en la tierra (energía renovable), ha atraído la atención en muchos países del mundo donde se trabaja en desarrollar la tecnología apropiada para producir estos bio-combustibles a escala comercial.

Pirólisis rápida de material ligno-celulósico

La pirólisis rápida o pirólisis flash se refiere a la velocidad de reacción de las partículas de material orgánico para producir las reacciones de pirólisis, con formación de vapores de pirólisis que al ser condensados dan origen al bio-combustible, gas de pirólisis no condensable y carboncillo.
La pirólisis rápida ocurre entre 400-650ºC con un tiempo de reacción generalmente inferior a 5 segundos, en tanto que a temperatura entre 650-900ºC ésta es inferior a 1 segundo. En este caso, al aumentar la temperatura aumenta también la fracción de gas de pirólisis no condensable. A 900ºC puede llegar a ser sobre el 60% del peso de la alimentación original. Independiente del rango de temperatura a la cual se efectúe la pirólisis, todas las reacciones que ocurren son endotérmicas, es decir, consumen calor.
Para la madera y productos ligno-celulósicos, la cinética de pirólisis se puede describir mediante tres reacciones independientes de primer orden respecto de los seudo-componentes de ésta (celulosa, hemi-celulosa y lignina), siendo la depolimerización de la celulosa la más lenta. El bio-combustible obtenido por condensación de los vapores generados en la pirólisis rápida es una mezcla compleja de compuestos orgánicos, cuya composición depende de la materia prima empleada, temperatura y velocidad de reacción, así como de la velocidad de enfriamiento de los vapores generados. La mezcla de estos componentes se deriva esencialmente de la depolimerización y reacciones de fragmentación de los componentes de la celulosa, hemi-celulosa y lignina, siendo los ácidos carboxílicos, compuestos oxigenados, azúcares y fenoles, los compuestos más abundantes.
El bio-combustible crudo obtenido por condensación de los vapores generados por pirólisis rápida, es un líquido oscuro de baja viscosidad con un contenido de 15 a 30% de agua y un pH entre 2 – 2,5. El poder calorífico superior varía desde 3.800 a 4.500 kcal/Kg.
El gas de pirólisis (o gas no condensable de pirólisis) representa entre el 10 al 20% del total de conversión en peso del material orgánico inicial, y está compuesto esencialmente de monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrógeno, con un poder calorífico desde 2.000 a 2.600kcal/m3, lo cual representa entre 30 a 50% del poder calorífico del gas natural (metano).
A su vez, el carbón fijo (carboncillo) generado en la pirólisis rápida representa entre 10 a 15% del peso original de la materia orgánica, y generalmente, es de tamaño menor a 0,5 mm, con un calor de combustión superior de 5.500 – 6.200kcal/kg.

Procesos de pirólisis rápida

Debido al potencial que tiene la pirólisis rápida, se han propuesto o están en desarrollo una cantidad importante de tecnologías para efectuarla. Dos de los problemas más importantes que se deben abordar son, como calentar lo más rápidamente posible el material orgánico para que se produzcan las reacciones de pirólisis, lo cual requiere emplear material relativamente fino (generalmente bajo 3mm) y como entregar una gran cantidad de calor en un tiempo muy corto. Estos problemas de transferencia de calor son centrales a cualquier desarrollo exitoso que requiere condiciones extremas de operación del reactor de pirólisis.
Los reactores de pirólisis propuestos o en desarrollo se dividen en dos categorías:
  • reactores de lechos fluidizados, tanto los llamados de burbujas, los turbulentos, los recirculantes y los reactores de transporte neumático; y
  • reactores de acción mecánica, como los de cono giratorio, placas rotativas de ablación y tornillos;
  • una categoría especial es el reactor de vacío que puede emplear cualquier tecnología de pirólisis rápida conectado a un sistema de vacío.
La Unidad de Desarrollo Tecnológico (UDT) de la Universidad de Concepción trabaja desde hace largo tiempo en el desarrollo de alternativas tecnológicas para obtener productos de interés comercial a partir de la corteza del pino radiata. El interés radica en el alto contenido de compuestos polifenólicos del tipo flavonoides y catequinas. Dependiendo de su peso molecular, este tipo de compuestos puede tener aplicaciones muy diversas, las que incluyen el curtido de pieles, la fabricación de resinas, la prevención de degradaciones oxidativas y la quelatización de determinados metales, entre otros.
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Empresas Participantes

  • Resinas del Bío-Bío.
  • Forestal El Conquistador Ltda.
  • BioLeche Ltda.
  • Conmetal Ltda.

Investigadores responsables

CONTACTO:

Dra. Cristina Segura,  Jefe de Área Bioenergía

c.segura@udt.cl / +56 (0)41 266 1804