Saltar al contenido principal
LibreTexts Español

5.1: Pirólisis de Biomasa

  • Page ID
    84368
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    5.1 Pirólisis de biomasa

    La Figura 5.1 muestra un gráfico de los cuatro métodos de conversión termoquímica de biomasa, con pirólisis resaltada. Acabamos de repasar la combustión y gasificación, y cubriremos la licuefacción directa más adelante en el semestre.

    La conversión térmica de la biomasa puede ocurrir a través de combustión, gasificación, pirólisis o licuefacción hidrotérmica\
    Figura 5.1: Rutas termoquímicas para la conversión de biomasa

    Crédito: Dr. Hilal Ezgi Toraman

    Existen diferencias en cada uno de los procesos térmicos. Para la combustión, el material se encuentra en una atmósfera rica en oxígeno, a una temperatura de funcionamiento muy alta, con el calor como salida objetivo. La gasificación se realiza en una atmósfera pobre en oxígeno, con una alta temperatura de operación, y los productos gaseosos son el objetivo principal (producción de gas de síntesis en la mayoría de los casos). La licuefacción directa (particularmente el procesamiento hidrotérmico) ocurre en una atmósfera no oxidativa, donde la biomasa se alimenta a una unidad como una suspensión acuosa a temperaturas más bajas, y el producto es el bio-crudo en forma líquida.

    Entonces, ¿qué es la pirólisis? Existen varias definiciones dependiendo de la fuente, pero esencialmente se trata de un proceso termoquímico, realizado a 400-600°C en ausencia de oxígeno. El proceso produce gases, biopetróleo y un carbón, y como se señala en la Lección 4, es uno de los primeros pasos en la gasificación o combustión. La composición de los productos primarios elaborados dependerá de la temperatura, presión y velocidad de calentamiento del proceso.

    Hay ventajas, tanto económicas como ambientales, en hacer pirólisis. Ellos son:

    • utilización de recursos renovables mediante una ruta neutra en carbono : potencial ambiental;
    • utilización de materiales de desecho como residuos de procesamiento de madera (cortezas, aserrín, aclareo de bosques, etc.), residuos agrícolas (pajitas, estiércol, etc.) — potencial económico;
    • energía autosostenible — potencial económico;
    • conversión de baja energía en biomasa en combustibles líquidos de alta densidad energética — potenciales ambientales y económicos;
    • potencial para producir productos químicos a partir de recursos biológicos, potenciales ambientales y económicos.

    La pirólisis se utilizó inicialmente para producir carbón vegetal. En cultivos indígenas en América del Sur, el material se encendió y luego se cubrió con tierra para reducir el oxígeno disponible para el material — dejó un material alto en carbono que podría estabilizar y enriquecer el suelo para agregar nutrientes ([Discusión de aplicaciones de pirólisis], (n.d.), Recuperado de MagnumGroup.org). También se ha utilizado como una fuente de calor más ligera y menos volátil para cocinar (es decir, parrillas de “carbón”) en países donde la electricidad no está ampliamente disponible y la gente usa combustible como este para cocinar o calentar sus hogares (Schobert, H.H., Energy, and Society: An Introduction, 2002 , Taylor & Francis: Nueva York). No solo hay un producto sólido, como carbón vegetal, también se pueden producir productos líquidos dependiendo del material de partida y las condiciones utilizadas. Históricamente, el metanol se produjo a partir de la pirólisis de la madera.

    Este proceso de pirólisis también se puede llamar torrefacción. La torrefacción se realiza típicamente a temperaturas de pirólisis relativamente bajas (200-300°C) en ausencia de oxígeno. El material de alimentación se calienta lentamente, a menos de 50°C/min, y se realiza durante un período de horas a días, de esta manera los volátiles se liberan y el carbono mantiene una estructura rígida. En la primera etapa, se pierde agua, que es un componente que puede inhibir el poder calorífico de un combustible. A esto le sigue una pérdida de CO, CO 2, H 2 y CH 4, en cantidades bajas. Al hacer esto, aproximadamente 70% de la masa se retiene con 90% del contenido de energía. El material sólido es hidrofóbico (poca atracción por el agua) y puede almacenarse durante un largo período de tiempo.

    Clasificación de los métodos de pirólisis

    Hay tres tipos de pirólisis: 1) pirólisis convencional/lenta, 2) pirólisis rápida y 3) pirólisis ultrarrápida/instantánea. El Cuadro 5.1 y la Figura 5.2 resumen cómo cada método difiere en temperatura, tiempo de residencia, velocidad de calentamiento y productos elaborados.

    Como se mencionó anteriormente, la pirólisis lenta se utiliza típicamente para modificar el material sólido, minimizando el aceite producido. La pirólisis rápida y la pirólisis ultrarrápida (flash) maximizan los gases y el petróleo producidos.

    La pirólisis rápida es una rápida descomposición térmica de materiales carbonosos en ausencia de oxígeno en velocidades de calentamiento moderadas a altas. Es el más común de los métodos, tanto en investigación como en uso práctico. El producto principal es el bio-aceite. La pirólisis es un proceso endotérmico. Junto con la información listada en el Cuadro 5.1, la materia prima debe estar seca; de partículas más pequeñas (< 3 mm); y típicamente realizada a temperatura atmosférica con enfriamiento rápido de los productos. Los rendimientos de los productos son: condensados líquidos — 30-60%; gases (CO, H 2, CH 4, CO 2 e hidrocarburos ligeros) — 15-35%; y carbón — 10-15%.

    La pirólisis ultrarrápida o instantánea es una pirólisis de descomposición térmica extremadamente rápida, con una alta velocidad de calentamiento. Los principales productos son los gases y el bioaceite. Las tasas de calentamiento pueden variar de 100-10,000° C/s y los tiempos de residencia son de corta duración. Los rendimientos de los productos son: condensado líquido ~ 10-20%; gases — 60-80%; y carbón — 10-15%.

    Cuadro 5.1: Clasificación de los métodos de pirólisis con diferencias en temperatura, tiempo de residencia, velocidad de calentamiento y productos principales.

    Método Temperatura
    (°C)

    Tiempo de Residencia
    Velocidad de calentamiento
    (°C/s)
    Productos principales
    Pirólisis convencional/lenta Med-alta
    400-500
    Largo
    5-30 min
    Bajo
    10
    Gases
    Char
    Bioaceite (alquitrán)
    Pirólisis rápida MED-alta
    400-650
    Corto
    0.5-2 s
    Alto
    100
    Bio-aceite (diluyente)
    Gases
    Char
    Pirólisis ultrarrápida/flash Alto
    700-1000
    Muy corto
    < 0.5 s
    Muy alto
    >500
    Gases
    Bio-aceite
    Gráfico de diferentes condiciones de pirólisis y el efecto sobre la distribución del producto. Ver descripción del texto a continuación
    Figura 5.2: Figura que resume las diferentes condiciones de pirólisis y el efecto sobre la distribución del producto.

    Haga clic para ver una alternativa de texto de la figura 5.2

    Efecto en la distribución del producto de diferentes condiciones de pirólisis. Todos los valores son aproximaciones visuales basadas en la imagen

    Tasa de calentamiento Tiempo Temperatura (ºC) Char Líquido Gas
    Lento (<10 3 W/m 2) 1000s ~500ºC 25% 35% 40%
    Mediano (>10 4 W/m 2) 100s ~500ºC 17% 58% 35%
    Rápido (>10 5 W/m 2) 1s ~500ºC 15% 65% 20%
    Flash (>10 6 W/m 2) 0.01s ~500ºC 10% 70% 20%
    Lento (<10 3 W/m 2) 1000s ~1000ºC 40% 35% 25%
    Mediano (>10 4 W/m 2) 100s ~1000ºC 20% 37% 43%
    Rápido (>10 5 W/m 2) 1s ~1000ºC 15% 20% 65%
    Flash (>10 6 W/m 2) 0.01s ~1000ºC 0% 15% 95%

    Crédito: (Creado con base en Xavier DEGLISE, Profesor Emérito de la Universidad Henri Poincaré, Francia. 2006 BEEMS Módulo C2, Brian He.)

    Propiedades del producto Bio-oil

    Los bioaceites crudos son diferentes de los crudos de petróleo. Ambos pueden ser oscuros y alquitranados con olor, pero los bioaceites crudos no son miscibles con los petroaceites. Los bioaceites tienen un alto contenido de agua (20-30%); su densidad es más pesada que el agua (1.10-1.25 g/mL); su valor calorífico es de ~5600-7700 BTU/lb (13-18 MJ/kg). Los bioaceites tienen un alto contenido de oxígeno (35-50%), lo que provoca una alta acidez (pH tan bajo como ~2). Los bioaceites también son viscosos (20-1000 cp @ 40°C) y tienen altos residuos sólidos (hasta 40%). Estos aceites también son oxidativamente inestables, por lo que los aceites pueden polimerizarse, aglomerarse o tener reacciones oxidativas que ocurren in situ que conducen a una mayor viscosidad y volatilidad. Los valores del Cuadro 5.2 comparan las propiedades del biopetróleo con respecto a un fuelóleo pesado a base de petróleo.

    Cuadro 5.2: Propiedades típicas del biopetróleo de pirólisis de madera y fuelóleo pesado.

    Propiedad Física Bio-aceite Fueloil pesado
    Contenido de humedad 15-30 0.1
    pH 2.5
    Gravedad específica 1.2 0.94
    Composición elemental (% en peso) - -
    C 54-58 85
    H 5.5-7.0 11
    O 35-40 1.0
    N 0-0.2 0.3
    Ceniza 0-0.2 0.1
    VHV, MJ/kg 16-19 40
    Viscosidad (cp, @50 °C) 40-100 180
    Sólidos (% en peso) 0.2-1 1
    Residuo de destilación (% en peso) Hasta 50 1

    (Czemik, S. y Bridgewater, A.V., 2004. Descripción general de Aplicaciones de Biomasa de Pirólisis Rápida, Combustibles Energéticos 18, 590-598).

    Consideraciones de proceso

    Varios componentes son necesarios para cualquier unidad de pirólisis, fuera del propio pirolizador. Las unidades y cómo están conectadas se muestran en la Figura 5.3.

    componentes generales del proceso de pirólisis. Ver texto debajo de la imagen para información pertinente.
    Figura 5.3: Componentes generales de un proceso de pirólisis.

    Crédito: Dra. Caroline B. Clifford

    El objetivo del proceso es producir bioaceite a partir del pirolizador. El biopetróleo que se genera tiene potencial como combustible de transporte después de la mejora y fraccionamiento. Algunos también se pueden usar para fabricar productos químicos especiales, especialmente compuestos de estructura de anillo que podrían usarse para adhesivos. Los gases que se producen contienen componentes combustibles, por lo que los gases son utilizados para generar calor. También se produce un bio-carbón. El biochar se puede utilizar como una enmienda del suelo que mejora la calidad del suelo, secuestra carbono, o incluso puede usarse como material de carbono como soporte de catalizador o carbón activado. También habrá un material a base de minerales llamado ceniza una vez que se haya procesado. Por lo general, la ceniza debe estar contenida.

    Las siguientes unidades a considerar son unidades de separación. El carbón es sólido, por lo que normalmente se separa usando un ciclón o cámara de filtros. Se puede usar como catalizador para su posterior descomposición en gases porque el mineral inherente al carbón así como el carbono pueden catalizar las reacciones de gasificación. También se deben separar los líquidos y gases. Por lo general, los líquidos y gases deben enfriarse para separar los líquidos condensables de los gases no condensables. Luego, los líquidos se fraccionan y lo más probable es que se traten más para mejorar la estabilidad de los líquidos. A veces, la porción líquida puede taparse debido a componentes más pesados. Los gases no condensables deben limpiarse de cualquier cantidad traza de líquidos y se pueden reutilizar si es necesario.

    Las siguientes consideraciones son las fuentes de calor para la unidad. El gas de combustión caliente se utiliza para secar la alimentación. Como los gases de combustión contienen gases combustibles, pueden quemarse parcialmente para proporcionar calor. Cualquier carbón que quede se quema como un suministro importante de calor. Y, la biomasa puede quemarse parcialmente como otra fuente importante de calor.

    Otro proceso importante a considerar es el medio de transferencia de calor. Gran parte es indirecta, a través de paredes metálicas y unidades de tubo y carcasa. La transferencia directa de calor tiene que ver con la quema de carbón y biomasa. Y en la unidad de lecho fluidizado, el portador (la mayoría de las veces arena) trae el calor, ya que el portador se calienta externamente y se recicla para proporcionar calor al pirolizador.

    Tipos de Pirolisadores

    Entonces, ¿qué tipos de pirolizadores se utilizan? Los tipos más comunes son los pirolizadores de lecho fluidizado. Las figuras 5.4a y 5.4b muestran esquemas de dos tipos diferentes. Las ventajas de usar lechos fluidos son temperatura uniforme y buena transferencia de calor; alto rendimiento de bioaceite de hasta 75%; un nivel medio de complejidad en la construcción y operación; y facilidad de escalado. Las desventajas de los lechos fluidos son el requerimiento de pequeños tamaños de partículas; una gran cantidad de gases inertes; y altos costos de operación. La unidad se muestra en la Figura 5.4b, el pirolizador de lecho fluido circulante, (CFB), tiene ventajas similares, aunque se utilizan tamaños de partícula medianos para la alimentación. Las desventajas incluyen una gran cantidad de portadores de calor (es decir, arena); operación más compleja y altos costos operativos.

    Lecho fluido con precipitador electrostático, ver descripción del texto a continuación
    Figura 5.4a: Lecho fluido con precipitador electrostático.

    Haga clic aquí para ver una alternativa de texto de la figura 5.4a

    Esquema de un lecho fluido con precipitador electrostático. El gas portador ingresa al lecho fluido que tiene en la alimentación de admisión. Luego, el gas pasa a través de un ciclón y el carbón y la ceniza se eliminan como producto o se llevan al quemador de carbón. Luego, el gas pasa a través del apagador y la fracción más pesada se elimina como bioaceite, luego pasa al condensador donde la fracción más ligera se condensa como bioaceite y los no condensables se llevan a la caldera o al quemador. Cualquier gas creado en el quemador se utiliza como gas portador.

    Crédito: BEEMS

    Lecho fluidizado con portador de calor circulante, vea la descripción del texto a continuación
    Figura 5.4b: Lecho fluidizado con portador de calor circulante (pirolizadores de lecho fluido circulante (CFB)).

    Haga clic aquí para ver una alternativa de texto de la figura 5.4b

    Esquema de un lecho fluido con portador de calor circulante (pirolizadores de lecho fluido circulante (CFB). El gas portador ingresa al fondo del lecho fluido a través de un pirolizador. El lecho fluido también tiene una alimentación de admisión a mitad de camino hacia arriba. Luego, el gas pasa por un ciclón y los portadores de carbón y calor se retiran y se llevan a un quemador. Los portadores de calor (arena) son retinados a la cama fluida/pirolizador. La ceniza se retira y los gases de combustión se llevan a la unidad de calentamiento. Los gases que salen del ciclón luego pasan a través del apagador y la fracción más pesada se elimina como bioaceite, luego se pasa al condensador donde la fracción más ligera se condensa como bioaceite y los no condensables se llevan a la caldera o al quemador. Cualquier gas creado en el quemador se utiliza como gas portador.

    Crédito: BEEMS

    Otros dos tipos de pirolizadores son los pirolizadores de cono giratorio (Figura 5.5a) y los de Auger (Figura 5.5b). El cono giratorio crea un movimiento arremolinado de partículas a través de una fuerza g. Este tipo de pirolizador es compacto, tiene una construcción y operación relativamente simples, y tiene un bajo requerimiento de soporte/arena de calor. Sin embargo, tiene una capacidad limitada, requiere que la alimentación sea partículas finas y es difícil de escalar. Los pirolizadores de barrena también son compactos, de construcción simple y fáciles de operar; también funcionan a una temperatura de proceso más baja (400 °C). Las desventajas de los pirolizadores Auger incluyen largos tiempos de residencia, menores rendimientos de bioaceite, alto rendimiento de carbón y límites en el escalado debido a los límites de transferencia de calor.

    Pirolizador de cono giratorio, ver descripción de texto a continuación
    Figura 5.5a: Pirolizador de cono giratorio.

    Haga clic aquí para ver una alternativa de texto de la figura 5.5a

    Esquema de un pirolizador de cono giratorio. El cono tiene alimentación en la parte inferior y se aplica calor a las paredes exteriores del cono. Un motor hace girar el cono y los gas/condensables salen por la parte superior al igual que el char/ceniza.

    Crédito: BEEMS

    Pirolizador de barrena, ver descripción de texto a continuación
    Figura 5.5b: Pirolizador de barrena

    Haga clic aquí para ver una alternativa de texto de la figura 5.5b

    Esquema de un pirolizador Auger. El diagrama parece un cilindro con un sacacorchos en su interior. Un motor está unido al sacacorchos giratorio. Las paredes del cilindro se calientan y en un extremo hay una alimentación. En el otro extremo, hay puertos de salida para que los condensables salgan por la parte superior y char/ash para salir por el fondo.

    Crédito: BEEMS

    Mejoramiento de Bio-Oil

    Como se señaló anteriormente, el biopetróleo tiene problemas y debe ser actualizado, lo que significa esencialmente procesado para eliminar los problemas. Estos problemas incluyen alto contenido de ácido (que es corrosivo), alto contenido de agua y alta inestabilidad tanto oxidativa como térmicamente (lo que puede causar la formación de sólidos no deseados).

    Los aceites deben ser tratados física y químicamente. Los tratamientos físicos incluyen la eliminación de carbón a través de filtración y emulsificación de hidrocarburos para mayor estabilidad. Los bioaceites también se fraccionan, pero no antes de que se realicen los tratamientos químicos. Los tratamientos químicos incluyen esterificación (una reacción con alcohol para formar ésteres, esto se cubrirá en detalle cuando se discuta la producción de biodiesel); desoxigenación/hidrogenación catalítica para eliminar oxígeno y dobles enlaces; craqueo térmico para componentes más volátiles; extracción física; y gas de síntesis producción/gasificación.

    Se lleva a cabo la desoxigenación/hidrogenación catalítica. Se usa un catalizador junto con gas hidrógeno; se utilizan catalizadores especiales, como sulfuros y óxidos de níquel, cobalto y molibdeno. La hidrogenación se usa comúnmente en la refinación de petróleo para la eliminación de azufre y nitrógeno del petróleo crudo e hidrogenar los productos donde se pueden haber formado dobles enlaces en el procesamiento. Los procesos catalíticos son procesos separados y utilizan equipos específicos para realizar la actualización. Un problema puede ser que puede haber componentes del bioaceite que pueden ser tóxicos para los catalizadores.

    La esterificación reacciona a los ácidos corrosivos en bioaceites con alcohol para formar ésteres. A continuación se muestra un éster en la Figura 5.6. Una discusión sobre la reacción de esterificación se discutirá en la lección de biodiesel.

    Forma de Y con C en el centro. Una rama tiene un doble enlace O, una tiene una R y la otra tiene una OR'
    Figura 5.6: Fórmula química general de un compuesto éster, donde R y R' pueden ser cualquier tipo de hidrocarburo. El grupo R está unido al C=O y es la parte ácida de la molécula, mientras que el grupo R' está unido al O y es la parte alcohólica de la molécula.

    Crédito: Ester general: de Wikimedia Commons

    El bioaceite también puede craquearse térmicamente y/o convertirse en gas de síntesis a través de la gasificación. Consulte la Lección 2 para la discusión sobre el craqueo térmico y la Lección 4 para la discusión sobre gasificación. Otro proceso que se puede utilizar es la extracción física, aunque la extracción se realiza debido a la afinidad de algunos de los compuestos a un fluido en particular. Un ejemplo es la extracción de fenoles. Los fenoles se pueden extraer usando una solución de sodio como hidróxido de sodio en agua; los compuestos fenólicos son atraídos por la solución de sodio, mientras que los compuestos menos oxigenados permanecerán en la solución orgánica. Nuevamente, esto se discutirá con más detalle en lecciones posteriores. La Figura 5.7 muestra un esquema de una unidad de procesamiento típica para mejorar el biopetróleo.

    Esquema de la unidad de procesamiento típica para actualizar bio-oil, ver descripción de texto a continuación
    Figura 5.7: Esquema de una unidad de procesamiento típica para mejorar el biopetróleo.

    Haga clic para ver una alternativa de texto de la figura 5.7

    Esquema de una unidad de procesamiento típica para actualizar bio-oil. El biopetróleo crudo y los químicos auxiliares enden el pre-reactor que hace cosas como desacidificar o esterificar. Desde el pre-reactor el biopetróleo crudo va al separador. La fracción acuosa se retira y va a la unidad de recuperación de solubles. La fracción orgánica va al reactor donde se bombea gas hidrógeno para hacer hidrogenación y desoxigenación. Los gases se retiran a un depurador de hidrógeno que limpia y separa los gases. El gas hidrógeno se recicla. Luego, el bio-aceite va a una columna de destilación. La fracción pesada es candidata a fuel oil y podría agrietarse para componentes más ligeros. La fracción media puede convertirse en queroseno o un candidato diesel. La fracción más ligera puede convertirse en candidata a la gasolina.

    Crédito: BEEMS

    Pretratamiento de Biomasa

    Los métodos actuales de generación de biocombustibles son principalmente de almidón o grano, y la hidrólisis del almidón es bastante sencilla. Sin embargo, debido a que las materias primas de almidón son típicamente a base de alimentos, el objetivo es desarrollar tecnologías para producir etanol a partir de celulosa; la celulosa se obtiene de fuentes de biomasa lignocelulósica y debe pretratarse antes de descomponerse en etanol. La Figura 5.8 es un esquema de las diferencias en el procesamiento para almidón (corriente) y celulosa (emergente). Antes de ir más lejos, tendremos un breve tutorial sobre los diversos componentes de la biomasa lignocelulósica.

    esquema de las diferencias en el procesamiento para almidón (actual) y celulosa (emergente), ver descripción del texto a continuación
    Figura 5.8: Esquema de las diferencias de procesamiento para celulosa y almidón.

    Haga clic para ver una alternativa de texto de la figura 5.8

    Diferencias esquemáticas o de procesamiento para celulosa y almidón. Para almidón o grano, pasa por hidrólisis de almidón y luego la fermentación de glucosa para recuperar el producto final. Los productos finales son productos alimenticios, piensos, etanol y productos químicos.

    Para la celulosa (biomasa lignocelulósica) debe pasar por un pretratamiento antes de ingresar a la hidrólisis de celulosa y luego la fermentación de los azúcares de carbono 5 y 6 para recuperar los productos finales. Los productos finales son productos alimenticios, piensos, etanol y productos químicos. Cualquier residuo de lignina pasa por conversión termoquímica para convertirse en calor y energía, y combustibles y productos químicos: petróleo de pirólisis y gas de síntesis.

    Crédito: Fuente: El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL)


    This page titled 5.1: Pirólisis de Biomasa is shared under a CC BY-NC-SA 4.0 license and was authored, remixed, and/or curated by Hilal Ezgi Toraman (John A. Dutton: e-Education Institute) via source content that was edited to the style and standards of the LibreTexts platform; a detailed edit history is available upon request.