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aceite de pirólisis

El aceite de pirólisis , también conocido como biocrudo o bioaceite , es un combustible sintético con pocas aplicaciones industriales y en investigación como sustituto del petró...

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El aceite de pirólisis , también conocido como biocrudo o bioaceite , es un combustible sintético con pocas aplicaciones industriales y en investigación como sustituto del petróleo . Se obtiene calentando biomasa seca sin oxígeno en un reactor a una temperatura de aproximadamente 500 °C (900 °F), seguido de enfriamiento, separación de la fase acuosa y otros procesos. El aceite de pirólisis es un tipo de alquitrán y normalmente contiene niveles de oxígeno demasiado altos para ser considerado un hidrocarburo puro . Este alto contenido de oxígeno resulta en baja volatilidad, corrosividad, miscibilidad parcial con combustibles fósiles , inestabilidad térmica y tendencia a polimerizarse al exponerse al aire. [ 1 ] Por lo tanto, es claramente diferente de los productos derivados del petróleo. La eliminación de oxígeno del bioaceite o de nitrógeno del bioaceite de algas se conoce como mejora. [ 2 ]  

Estándares

Existen pocos estándares para el aceite de pirólisis debido a los escasos esfuerzos para producirlo. Uno de ellos es el de ASTM . [ 3 ]

descomposición de la materia prima

La pirólisis es una técnica consolidada para la descomposición de materia orgánica a altas temperaturas y en ausencia de oxígeno , transformándola en aceite y otros componentes. En aplicaciones de biocombustibles de segunda generación , se pueden utilizar como materia prima residuos forestales y agrícolas, madera de desecho, desechos de jardinería y cultivos energéticos.

Madera

Gasificación histórica de la madera

El gas de síntesis , históricamente llamado "gas manufacturado" o simplemente "gas", se producía mediante la gasificación de materiales combustibles, generalmente carbón —pero también madera— calentando el material en retortas u hornos cerrados con una atmósfera pobre en oxígeno. [ 4 ] En el contexto moderno de la creación de aceite de pirólisis a partir de materia prima de madera, el gas de síntesis producido durante el proceso se utiliza principalmente como combustible para proporcionar el calor necesario para el reactor de pirólisis.

Plantas de pirólisis modernas

  • Energía del proceso: La energía necesaria para operar un pirólisis "rápido" (que maximiza el rendimiento de aceite líquido) es aproximadamente el 15% de la energía total que produce.
  • Funcionamiento autosostenible: Las plantas modernas reciclan el gas de síntesis no condensable —una mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono y metano— para quemarlo como fuente de calor. Esto permite que el sistema genere entre 3 y 9 veces la energía necesaria para su funcionamiento.
  • Utilidad de los subproductos: Durante la pirólisis rápida, la madera se convierte típicamente en aproximadamente un 60 % de bioaceite, un 20 % de biocarbón y un 20 % de gas de síntesis. Si bien el bioaceite es el principal producto líquido buscado para combustible o uso químico, el gas de síntesis es esencial para la etapa de descomposición térmica, donde la madera se calienta a alrededor de 500 °C (932 °F) en una atmósfera pobre en oxígeno.

Descomposición de la madera

Cuando la madera se calienta por encima de 270 °C (518 °F), comienza un proceso de descomposición llamado carbonización . En ausencia de oxígeno, el producto final es carbón vegetal . Si hay suficiente oxígeno, la madera arderá cuando alcance una temperatura de aproximadamente 400–500 °C (752–932 °F), dejando cenizas . Si la madera se calienta lejos del aire, primero se elimina la humedad y, hasta que esto se completa, la temperatura de la madera se mantiene alrededor de 100–110 °C (212–230 °F) . Cuando la madera está seca, su temperatura aumenta y, alrededor de 270 °C (518 °F), comienza a descomponerse espontáneamente y a generar calor. Esta es la conocida reacción exotérmica que tiene lugar en la combustión del carbón vegetal. En esta etapa, comienza la liberación de subproductos de la carbonización. Estas sustancias se desprenden gradualmente a medida que aumenta la temperatura y, alrededor de 450 °C (842 °F), la liberación se completa.          

El residuo sólido, carbón vegetal, es principalmente carbono (alrededor del 70%), y el resto son sustancias parecidas al alquitrán que pueden eliminarse o descomponerse completamente solo elevando la temperatura por encima de unos 600  °C para producir biocarbón , un residuo de grano fino y alto contenido de carbono que hoy se produce a través de procesos modernos de pirólisis , que es la descomposición térmica directa de la biomasa en ausencia de oxígeno, lo que impide la combustión , para obtener una gama de productos sólidos (biocarbón), líquidos (aceite de pirólisis/aceite de pirólisis) y gas (gas de síntesis ). El rendimiento específico de la pirólisis depende de las condiciones del proceso, como la temperatura, y puede optimizarse para producir energía o biocarbón. [ 5 ] Las temperaturas de 400–500 °C (752–932 °F) producen más carbón vegetal , mientras que las temperaturas superiores a 700 °C (1292 °F) favorecen el rendimiento de componentes de combustible líquidos y gaseosos. [ 6 ] La pirólisis ocurre más rápidamente a temperaturas más altas, generalmente requiriendo segundos en lugar de horas. La pirólisis a alta temperatura también se conoce como gasificación y produce principalmente gas de síntesis. [ 6 ] Los rendimientos típicos son 60% de bioaceite, 20% de biocarbón y 20% de gas de síntesis. En comparación, la pirólisis lenta puede producir sustancialmente más carbón (~50%). Para insumos típicos, la energía requerida para operar un pirólisis “rápido” es aproximadamente el 15% de la energía que produce. [ 7 ] Las plantas de pirólisis modernas pueden usar el gas de síntesis creado por el proceso de pirólisis y producir de 3 a 9 veces la cantidad de energía requerida para operar.    

Algas

Las algas pueden ser sometidas a altas temperaturas (~500  °C) y presiones atmosféricas normales. Los productos resultantes incluyen aceite y nutrientes como nitrógeno, fósforo y potasio. [ 8 ]

There are numerous papers on the pyrolysis of lignocellulosic biomass. However, very few reports are available for algal bio-oil production via pyrolysis. Miao et al. (2004b) performed fast pyrolysis of Chllorella protothecoides and Microcystis areuginosa at 500 °C, and bio-oil yields of 18% and 24% were obtained, respectively. The bio-oil exhibited a higher carbon and nitrogen content, lower oxygen content than wood bio-oil. When Chlorella protothecoides was cultivated heterotrophically, bio-oil yield increased to 57.9% with a heating value of 41 MJ/kg (Miao et al., 2004a). Recently when microalgae become a hot research topic as the third generation of biofuel, pyrolysis has drawn more attention as a potential conversion method for algal biofuel production. Pan et al. (2010) investigated slow pyrolysis of Nannochloropsis sp. residue with and without the presence of HZSM-5 catalyst and obtained bio-oil rich in aromatic hydrocarbons from catalytic pyrolysis. Algal pyrolytic liquids separate into two phases with the top phase called bio-oil (Campanella et al., 2012; Jena et al., 2011a). The higher heating values (HHV) of algal bio-oil are in the range of 31−36 MJ/kg, generally higher than those of lignocellulosic feedstocks. Pyrolytic bio-oil consists of compounds with lower mean molecular weights and contains more low boiling compounds than bio-oil produced by hydrothermal liquefaction. These properties are similar to those of Illinois shale oil (Jena et al., 2011a; Vardon et al., 2012), which may indicate that pyrolytic bio-oil is suited for replacing petroleum. In addition, the high protein content in microalgae led to a high N content in the bio-oil, resulting in undesirable NOx emissions during combustion and deactivation of acidic catalysts when co-processed in existing 10 crude oil refineries. Algal bio-oil had better qualities in many aspects than those produced from lignocellulosic biomass. For example, algal bio-oil has a higher heating value, a lower oxygen content and a greater than 7 pH value. However, upgrading towards the removal of nitrogen and oxygen in the bio-oil is still necessary before it can be used as drop-in fuels.[9]

Hydrothermal liquefaction

Hydrothermal liquefaction (HTL) is a thermal depolymerization process used to convert wet biomass into an oil[10]—sometimes referred to as bio-oil or biocrude—under a moderate temperature and high pressure[11] of 350 °C (662 °F) and 3,000 pounds per square inch (21,000 kPa). The crude-like oil (or bio-oil) has high energy density with a lower heating value of 33.8-36.9 MJ/kg and 5-20 wt% oxygen and renewable chemicals.[12][13]

El proceso HTL difiere de la pirólisis, ya que puede procesar biomasa húmeda y producir un bioaceite que contiene aproximadamente el doble de densidad energética que el aceite de pirólisis. La pirólisis es un proceso relacionado con HTL, pero la biomasa debe procesarse y secarse para aumentar el rendimiento. [ 14 ] La presencia de agua en la pirólisis aumenta drásticamente el calor de vaporización del material orgánico, incrementando la energía necesaria para descomponer la biomasa. Los procesos típicos de pirólisis requieren un contenido de agua inferior al 40 % para convertir adecuadamente la biomasa en bioaceite. Esto requiere un pretratamiento considerable de la biomasa húmeda, como las gramíneas tropicales, que contienen un contenido de agua de hasta el 80-85 %, e incluso un tratamiento adicional para las especies acuáticas, que pueden contener más del 90 % de agua. Las propiedades del bioaceite resultante se ven afectadas por la temperatura, el tiempo de reacción, la especie de alga, la concentración de algas, la atmósfera de reacción y los catalizadores, en condiciones de reacción de agua subcrítica.

Biocrudo

El bioaceite generalmente requiere un tratamiento adicional significativo para que sea apto como materia prima de refinería y pueda reemplazar al petróleo crudo derivado del petróleo , el aceite de hulla o el alquitrán de hulla .

El alquitrán es una mezcla negra de hidrocarburos y carbono libre que se obtiene de una amplia variedad de materiales orgánicos mediante destilación destructiva . [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] El alquitrán se puede producir a partir de carbón , madera , petróleo o turba . [ 17 ]

La creosota de alquitrán de madera es un líquido grasiento, incoloro o amarillento, con olor a humo, produce una llama hollín al quemarse y tiene sabor a quemado. No flota en agua, con una gravedad específica de 1,037 a 1,087, conserva su fluidez a muy baja temperatura y hierve a205–225  °C . Cuando es transparente, está en su forma más pura. La disolución en agua requiere hasta 200 veces la cantidad de agua que la creosota base. La creosota es una combinación de fenoles naturales: principalmente guayacol y creosol (4-metilguayacol), que normalmente constituirán el 50% del aceite; en segundo lugar en prevalencia, cresol y xilenol ; el resto es una combinación de monofenoles y polifenoles .

El alquitrán es un nombre que se le da a varios polímeros viscoelásticos . El alquitrán puede ser natural o fabricado, derivado del petróleo, el alquitrán de hulla [ 18 ] o las plantas.

El licor negro y el aceite de tall son un subproducto líquido viscoso de la fabricación de pulpa de madera.

El aceite de caucho es el producto del método de pirólisis para el reciclaje de neumáticos usados.

Biocombustible

Los biocombustibles se sintetizan a partir de productos intermedios, como el gas de síntesis, mediante métodos idénticos en los procesos que utilizan materias primas convencionales, biocombustibles de primera y segunda generación. La diferencia radica en la tecnología empleada para producir el producto intermedio, más que en su destino final.

Una biorrefinería es una instalación que integra procesos y equipos de conversión de biomasa para producir combustibles, energía, calor y productos químicos de valor añadido a partir de biomasa . El concepto de biorrefinería es análogo al de las refinerías de petróleo actuales , que producen múltiples combustibles y productos derivados del petróleo. [ 19 ]

  • El biodiésel es un combustible diésel derivado de lípidos animales o vegetales (aceites y grasas). Se puede utilizar una variedad de aceites como materia prima para el biodiésel .
  • Diésel de madera . La Universidad de Georgia desarrolló un nuevo biocombustible a partir de astillas de madera . El aceite se extrae y luego se agrega a motores diésel sin modificar. Se utilizan plantas nuevas o se plantan para reemplazar las antiguas. El carbón vegetal resultante se reincorpora al suelo como fertilizante. Este biocombustible puede ser incluso negativo en carbono, no solo neutro. Los procesos negativos en carbono disminuyen el dióxido de carbono en el aire, revirtiendo el efecto invernadero, no solo reduciéndolo. [ 20 ] [ 21 ]
  • Los combustibles de algas se pueden producir a partir de varios tipos de algas , y dependen de la técnica y la parte de las células utilizadas; algunas especies de algas pueden producir el 50 % o más de su peso seco en forma de aceite. El lípido , o parte oleosa de la biomasa de algas, se puede extraer y convertir en biodiésel mediante un proceso similar al utilizado para cualquier otro aceite vegetal, o transformarse en una refinería en sustitutos directos de los combustibles derivados del petróleo. [ 22 ] [ 23 ] El cultivo de algas puede utilizar materiales de desecho como aguas residuales [ 24 ] y sin desplazar tierras actualmente utilizadas para la producción de alimentos.

eliminación de dióxido de carbono atmosférico

El bioaceite es una técnica prometedora para la captura de carbono. Los tallos de maíz se convierten mediante pirólisis en bioaceite, que luego se bombea bajo tierra. [ 25 ]

Aplicaciones industriales

Actualmente, el bioaceite tiene pocos usos industriales. Una aplicación documentada es la producción de óxido de zinc como fuente térmica. [ 26 ] En este uso, el combustible ha sustituido a los fuelóleos pesados ​​como fuente biogénica de calor. [ 27 ] El bioaceite se utiliza en los quemadores del horno como sustituto directo con poca o ninguna alteración en los resultados operativos. El combustible tiene un mayor contenido de agua y oxígeno, lo que produce un mayor caudal volumétrico para la misma capacidad calorífica.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Crocker, Mark (2010). Conversión termoquímica de biomasa en combustibles líquidos y productos químicos . Royal Society of Chemistry. pág.  289. ISBN 978-1-84973-035-8.
  2. ↑ Lee, James W. (30 de agosto de 2012). Biocombustibles y bioproductos avanzados . Springer Science & Business Media. pág. 175. ISBN  978-1-4614-3348-4.
  3. ↑ Especificación estándar para biocombustible líquido de pirólisis https://www.astm.org/Standards/D7544.htm
  4. ↑ Levi, Michael P.; O'Grady, Michael J. (1980). Guía para la toma de decisiones sobre el combustible de madera para pequeños usuarios industriales de energía . Departamento de Energía, Instituto de Investigación de Energía Solar. Hay tres métodos principales para convertir combustibles de biomasa sólida en combustibles gaseosos: (a) GASIFICACIÓN CON AIRE … (b) GASIFICACIÓN CON OXÍGENO … (c) PIRÓLISIS en la que la biomasa se calienta en ausencia de aire, oxígeno o cualquier otro gas. Este proceso produce un gas de mayor energía (600 BTU/scf o más).
  5. ↑ Gaunt & Lehmann 2008 , págs. 4152, 4155 harvnb error: no target: CITEREFGauntLehmann2008 ( ayuda ) ("Suponiendo que la energía del gas de síntesis se convierte en electricidad con una eficiencia del 35%, la recuperación en el balance energético del ciclo de vida oscila entre 92 y 274 kg (203 y 604 lb) de CO₂ MW⁻¹ de electricidad generada donde el proceso de pirólisis está optimizado para la energía y entre 120 y 360 kilogramos (790 lb) de CO₂ MW⁻¹ donde el biocarbón se aplica a la tierra. Esto se compara con emisiones de 600–900 kilogramos (1300–2000 lb) de CO₂     2 MW-1 para tecnologías basadas en combustibles fósiles.)
  6. 1 2 Winsley, Peter (2007). "Producción de biocarbón y bioenergía para la mitigación del cambio climático". New Zealand Science Review . 64 .(Véase la Tabla 1 para conocer las diferencias en la producción para los procesos Rápido, Intermedio, Lento y Gasificación).
  7. ↑ Laird 2008 , págs. 100, 178–181 harvnb error: no target: CITEREFLaird2008 ( ayuda ) "La energía necesaria para operar un pirólisis rápido es aproximadamente el 15 % de la energía total que se puede obtener de la biomasa seca. Los sistemas modernos están diseñados para utilizar el gas de síntesis generado por el pirólisis para cubrir todas las necesidades energéticas del mismo." 
  8. ↑ Edmundson, Scott J.; Huesemann, M.; Kruk, R.; Lemmon, T.; Billing, J.; Schmidt, A.; Anderson, D. (septiembre de 2017). "Reciclaje de fósforo y nitrógeno tras la producción de biocombustible de algas mediante licuefacción hidrotermal continua" . Algal Research . 26 : 415–421 . doi : 10.1016/j.algal.2017.07.016 . ISSN 2211-9264 . 
  9. ↑ ZHENYI DU (enero de 2013). «CONVERSIÓN TERMOQUÍMICA DE MICROALGAS PARA PRODUCCIÓN DE BICOMBUSTIBLES» (PDF) . pag. 8 . Consultado el 15 de octubre de 2016 . 
  10. ↑ Zhu, Yunhua; Jones, Susanne B.; Schmidt, Andrew J.; Billing, Justin M.; Job, Heather M.; Collett, James R.; Edmundson, Scott J.; Pomraning, Kyle R.; Fox, Samuel P.; Hart, Todd R.; Gutknecht, Andrew; Meyer, Pimphan A.; Thorson, Michael R.; Snowden-Swan, Lesley J.; Anderson, Daniel B. (2021-04-01). " Conversión de microalgas en biocombustibles y productos bioquímicos mediante licuefacción hidrotermal secuencial (SEQHTL) y bioprocesamiento: estado de la tecnología 2020" . doi : 10.2172/1784347 . OSTI 1784347. S2CID 236632296 .  {{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  11. ↑ Akhtar, Javaid; Amin, Nor Aishah Saidina (2011-04-01). "Una revisión sobre las condiciones del proceso para un rendimiento óptimo de bioaceite en la licuefacción hidrotérmica de biomasa". Renewable and Sustainable Energy Reviews . 15 (3): 1615– 1624. doi : 10.1016/j.rser.2010.11.054 .
  12. ↑ Elliott, Douglas C. (1 de mayo de 2007). "Desarrollos históricos en el hidroprocesamiento de bioaceites". Energy & Fuels . 21 (3): 1792– 1815. doi : 10.1021/ef070044u . ISSN 0887-0624 . 
  13. ↑ Goudriaan, F.; Peferoen, DGR (1990-01-01). "Combustibles líquidos a partir de biomasa mediante un proceso hidrotermal". Chemical Engineering Science . 45 (8): 2729– 2734. doi : 10.1016/0009-2509(90)80164-a .
  14. ↑ Bridgwater, AV; Peacocke, GVC (marzo de 2000). "Procesos de pirólisis rápida para biomasa". Renewable and Sustainable Energy Reviews . 4 : 1–73 . doi : 10.1016/s1364-0321(99)00007-6 .
  15. ↑ Daintith, John (2008). «tar». Diccionario de química (6.ª ed.). Oxford University Press. doi : 10.1093/acref/9780199204632.001.0001 . ISBN  9780199204632Consultado el 14 de marzo de 2013 .
  16. ↑ "Alquitrán: Definición" . Miriam Webster . Consultado el 14 de marzo de 2013 .
  17. 1 2 "alquitrán y brea" (6.ª ed.). La Enciclopedia Electrónica Columbia . Consultado el 14 de marzo de 2013 . 
  18. ↑ "BETA DE ALQUITRÁN DE HUELLA, ALTA TEMPERATURA" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 5 de mayo de 2021. Consultado el 15 de octubre de 2016 .
  19. ↑ Dr. WJ Smith, Tamutech Consultancy. Mapeo del desarrollo de los complejos de biorrefinería del Reino Unido. Archivado el 2 de abril de 2016 en Wayback Machine , NNFCC, 20 de junio de 2007. Consultado el 16 de febrero de 2011.
  20. ↑ "Desarrollan un nuevo biocombustible a partir de árboles" . www.sciencedaily.com . 20 de mayo de 2007. Consultado el 17 de octubre de 2016 .
  21. ↑ Ojus, Doshi (mayo de 2007). "Nuevo método desarrollado para extraer biocombustible de la madera | JYI – The Undergraduate Research Journal" . www.jyi.org . Recuperado el 17 de octubre de 2016. Según los investigadores, el proceso es muy fácil de llevar a cabo. Las astillas de madera (Adams y sus colegas usaron pino) se someten a pirólisis, o calentamiento en ausencia de oxígeno para causar descomposición, lo que genera carbón vegetal y gas. El gas se condensa rápidamente para producir un líquido clasificado como bioaceite. "No se puede usar el bioaceite como combustible crudo porque tiene demasiado oxígeno y agua, es soluble en agua. Por eso no se ha usado en motores", dijo Adams. Para poder usarse en motores diésel, el bioaceite debe disolverse en biodiésel, un combustible diésel alternativo que se produce a partir de grasas animales o aceites vegetales. El alto contenido de agua y oxígeno impide que esto suceda. Tras los tratamientos químicos realizados por el equipo de Adams, se eliminó la mayor parte del agua, y el bioaceite se mezcló con biodiésel y se probó en motores diésel convencionales.
  22. ↑ "Combustibles renovables a partir de algas impulsados ​​por el proceso de refinería de NREL - Comunicados de prensa | NREL" . www.nrel.gov . Consultado el 16 de octubre de 2016 .
  23. ↑ Dong, Tao; Knoshaug, Eric P.; Davis, Ryan; Laurens, Lieve ML; Van Wychen, Stefanie; Pienkos, Philip T.; Nagle, Nick (2016). "Procesamiento combinado de algas: un novedoso proceso de biorrefinería integrada para producir biocombustibles y bioproductos de algas" . Algal Research . 19 : 316–323 . doi : 10.1016/j.algal.2015.12.021 .
  24. ↑ Errol Kiong (12 de mayo de 2006). "Empresa neozelandesa produce biodiésel a partir de aguas residuales, primicia mundial" . The New Zealand Herald . Consultado el 10 de enero de 2007 .
  25. ↑ De La Garza, Alejandro (31 de octubre de 2023). "Silicon Valley apuesta por la captura de carbono" . Revista Time.
  26. ↑ «Aperam BioEnergia e Nexa firmam parceria em bio-óleo para reduzir emissões na produção de zinco» . Época NEGÓCIOS (en portugués brasileño). 2023-12-14 . Consultado el 26 de diciembre de 2023 .
  27. ↑ «Nexa investe em bio-óleo para aumentar o uso de fuentes renovadoras» . IBRAM (en portugués brasileño) . Consultado el 26 de diciembre de 2023 .
  • Aceite de pirólisis: un biocombustible líquido innovador para calefacción .
  • El sitio web PyroKnown está dedicado a compartir conocimientos y aprender sobre la pirólisis rápida de biomasa.
  • Bioaceite (obtenido mediante pirólisis/conversión termoquímica) y aceite de tall para la producción de biocombustibles avanzados.
  • Producción de petróleo mediante pirólisis a gran escala: una evaluación tecnológica y un análisis económico.