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8.3: Bioprocesamiento para fabricar combustible para aviones

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    8.3 Bioprocesamiento para fabricar combustible para aviones

    Muchos investigadores y científicos piensan que el transporte terrestre se volverá cada vez más dependiente de las baterías, como en los híbridos y los vehículos eléctricos. La reducción en el uso de combustible se ha logrado en los últimos 10 años, debido a la llegada de automóviles híbridos al mercado de automóviles. Sin embargo, esta no es una opción viable para los viajes aéreos, que seguirán dependiendo del combustible líquido. Dado que habrá más combustible disponible para los aviones si se usa menos para los vehículos, las refinerías de petróleo deberían poder mantenerse al día con la demanda. No obstante, si existe una preocupación por las emisiones, especialmente la necesidad de reducir el CO 2, los combustibles líquidos para aviones procedentes de biomasa serán, con mucho, la mejor opción. El combustible para aviones también debe pasar por un proceso de calificación y certificarse para su uso dependiendo de la fuente del combustible y el tipo de motor a reacción. Como se discutió brevemente en la Lección 2, el combustible para aviones debe tener ciertas propiedades. En el cuadro 8.3 se muestran algunas de las calificaciones ASTM para combustible para aviones que existen actualmente.

    Cuadro 8.3: Algunas propiedades del combustible para aviones para combustible militar certificado JP-8.

    Límites de especificaciones JP-8, Min Límites de especificaciones JP-8, Máx
    Punto de inflamación, °C 38 (mín.)
    Viscosidad, cSt, -20°C 8.0 (máx.)
    Punto de congelación, °C -47 (máx.)
    Humo pt., mm 19 (mín.)
    Azufre,% 0.3 (máx.)
    Aromáticos,% 25 (máx.)
    Fijación térmica.@ 260°C 25 mm (máx.)
    Valor calorífico, BTU/lb 18,400
    Contenido de hidrógeno 13.4
    Gravedad API, 60° 37.0 51.0
    FSII (DiegMe) 0.10 0.15
    Conductividad PS/m 150 600

    La Administración Federal de Aviación ha estado trabajando diligentemente para conseguir algunos combustibles alternativos disponibles en el mercado. El gobierno tiene objetivos aspiracionales para que las aerolíneas estadounidenses utilicen combustible alternativo para aviones, con la esperanza de mil millones de galones de combustible alternativo para aviones por año para el año 2018. Las aerolíneas deberán cumplir con este requisito ya sea comprando combustible alternativo para aviones o encontrando métodos viables para producir combustible alternativo para aviones. Las expectativas para el combustible para aviones son que esté compuesto principalmente por alcanos de cadena larga (aunque longitudes de cadena de carbono más cortas que el combustible diesel) con cierto contenido de cicloalcanos y/o aromáticos por la lubricación necesaria de la junta tórica y otras razones.

    Existen varios materiales de biomasa conocidos que podrían ser utilizados en la producción de combustible para aviones. Estos incluyen grasas/aceites, celulosa, biomasa leñosa y carbón.

    Una de las fuentes primarias es el aceite vegetal (esto también incluye el aceite de algas y las grasas de la producción de carnes). Los aceites vegetales contienen hidrocarburos de cadena larga conectados por tres carbonos como ésteres. La porción de ácido graso del aceite se convierte fácilmente en ésteres metílicos de ácidos grasos (FAME) a través de la transesterificación para producir biodiesel. Discutiremos la producción de biodiesel para transesterificación extensamente en otra lección, pero discutiré brevemente aquí por qué la FAA está interesada en fabricar combustible para aviones a partir de grasas y aceites. Desafortunadamente, actualmente, los FAME son un problema para el combustible de biojet y los requisitos incluyen un límite de 5 ppm, ya que los FAME pueden causar corrosión, tener un alto punto de congelación y no son compatibles con materiales en un motor a reacción. (Fremont, 2010) En la actualidad, la producción de biodiesel no siempre es económica debido al alto costo de los aceites y al método de producción, y el éster debe eliminarse para el combustible para aviones.

    Por lo tanto, se están evaluando otros métodos para producir no solo biodiesel, sino también combustible para biojet. Estos métodos de proceso incluyen Ésteres y Ácidos Grasos Hidroprocesados (HEFA), Hidrotermólisis Catalítica y Diesel Verde. (Hileman y Stratton, 2014) La Figura 8.6 muestra un esquema del proceso para HEFA. El combustible para aviones fabricado con HEFA ha sido aprobado para su uso en aviones debido a que ha pasado por el proceso de aprobación. El siguiente white paper, Especificación y pruebas de combustibles alternativos, (Kramer, S., 2013, 1 de marzo, Recuperado el 16 de diciembre de 2014) incluye un esquema del proceso de aprobación en la página 4; como puede ver, es un proceso minucioso y complicado, y lleva bastante tiempo obtener una tipo particular de combustible calificado.

    Hay otros que quieren explorar el uso de la unidad de craqueo catalítico fluido (FCC) en una refinería para convertir aceites vegetales en combustible para aviones. Al-Sabawi y col. (CanmetEnergy) brindó una revisión de diversos productos de biomasa que han sido procesados a escala de laboratorio en la unidad FCC. Demuestran que el efecto principal estaría en el catalizador utilizado y en la vida útil del catalizador. (Al-Sabawi, 2012)

    Diagrama de proceso de chorro renovable para combustible de avión producido por HEFA.
    Figura 8.6: Diagrama del proceso de chorro renovable para el combustible para aviones producido por HEFA.

    Haga clic aquí para ver una alternativa de texto a la figura 8.6

    Se procesan los Aceites, Grasas y Grasas Naturales. Primero, entran en un ambiente rico en hidrógeno y se someten a desoxigenación. El agua y el CO 2 se eliminan durante esta etapa. A partir de ahí los productos van a otro ambiente rico en hidrógeno y se someten a hidrocraqueo selectivo. Después del hidrocraqueo, los productos se separan. Cualquier H 2 se recicla y los productos se convierten en combustibles ligeros, combustible para aviones verdes, queroseno parafínico sintético (SPK) y diesel verde.

    Crédito: Dra. Caroline B. Clifford

    Mullens y Boateng del USDA han desarrollado un proceso para producir aceites de pirólisis de bajo contenido de oxígeno (datos de propiedades del combustible en la sección anterior). (Mullens, 2013) El artículo de revisión de Al-Sabawi et al. también analiza el procesamiento potencial de aceites de pirólisis en la unidad FCC. El requisito principal es que los aceites de pirólisis deben ser bajos en oxígeno, pero la información adicional sobre la composición del aceite podría decirnos si la unidad FCC u otra unidad en una refinería sería la mejor para su procesamiento.

    Se pueden utilizar fuentes celulósicas para producir combustible alternativo para aviones. Mediante el uso de gasificación de biomasa y procesamiento Fischer-Tropsch, se puede producir un buen biojet combustible, aunque es necesario incluir algunos aditivos para evitar algunos problemas potenciales. También hay procesos para producir alcoholes de longitud de cadena media a partir de celulosa, ya que el metanol y el etanol no tienen la densidad de energía necesaria para permitir que los aviones vuelen largas distancias. Uno de los combustibles que lo hizo a través del proceso de aprobación es el Queroseno Parafínico Sintético (SPK) hecho por síntesis de Fischer-Tropsch. (Hileman y Stratton, 2014) También puede ser posible utilizar subproductos de la producción de etanol a partir de maíz (rastrojo de maíz), caña de azúcar (bagazo) y producción de papel (talloil). Westfall et al. (2008) y Liu et al. (2013) también han esbozado otras fuentes potenciales para producir combustibles, con la mayoría de los procesos incluyendo un aspecto de desoxigenación catalítica. (2008) La siguiente sección de esta lección discutirá Fischer-Tropsch y otros procesos químicos para hacer combustibles líquidos; es un método indirecto, ya sea gas natural o materiales de carbono que hayan sido gasificados deben ser utilizados en estos procesos.

    Adicionalmente, se están desarrollando algunos procesos para la producción de combustible alternativo para aviones a partir de biomasa-gas natural y biomasa-carbón. Los investigadores están trabajando para desarrollar procesos a escala de demostración para su eventual comercialización. Virent, junto con Battelle en Ohio, han producido ReadiJet Fuel usando una instalación a escala piloto. (Conkle et al., 2012a, 2012b) Su trabajo incluye un diagrama de un esquema de su proceso (p. 3), un proceso catalítico para desoxigenar aceites similar al proceso HEFA. Liu et al. señalan que el combustible para aviones a partir del gas natural tiene algunas ventajas, especialmente el aspecto de transporte de los combustibles (2013). El combustible de aviación hecho a partir de gas natural se fabrica a través de la reforma de vapor a CO y H 2, luego se usa el método Fischer-Tropsch para hacer alcanos de cadena larga (ver explicación adicional hacia el final de la lección). El combustible es muy limpio (sin azufre y sin aromáticos) y puede ser una caída en el reemplazo del combustible para aviones derivados del petróleo - el combustible para aviones hecho de esta manera ha sido probado a fondo y el combustible ha sido calificado para su uso en aviones militares y comerciales siempre que el combustible alternativo componga menos del 50% del mezcla de combustible. Penn State y la Fuerza Aérea han estado involucrados en la producción de un combustible para aviones a base de carbón (Balster et al., 2008) que posiblemente podría ser coprocesado con algún tipo de bioaceite, como el aceite vegetal o el aceite de pirólisis bajo en oxígeno. El potencial para usar el combustible para aviones a base de carbón radica en su alta densidad de energía, propiedades térmicas superiores y pocos problemas con la lubricidad. El Cuadro 8.4 muestra cómo el combustible producido por Battelle/Fuerza Aérea y PSU/Fuerza Aérea cumple con algunos de los requisitos ASTM; el combustible de Battelle ha sido certificado, pero el combustible de PSU no ha cumplido completamente con los criterios de certificación. Recientemente, Penn State recibió fondos del DOE para expandir la unidad de extracción por solvente a un reactor continuo y utilizará solvente del proceso de Battelle para extraer el carbón; el objetivo es incorporar carbón en un proceso de biomasa de una manera más ambientalmente racional que usando otros solventes. La Figura 8.7 muestra un esquema de la unidad PSU. Elliot et al. (2013) en Pacific Northwest National Laboratory han desarrollado un proceso hidrotermal específico para convertir lodos de agua de algas en hidrocarburos orgánicos en condiciones subcríticas de agua (350 °C y 20 MPa de presión). El proceso también incluye procesos catalíticos para eliminar oxígeno, azufre y nitrógeno, y los líquidos generados son muy probablemente de calidad de combustible.

    Cuadro 8.4: Algunas propiedades del combustible para aviones para combustible militar certificado JP-8 comparado con el combustible producido por PSU/Fuerza Aérea y Bettelle/Fuerza Aérea
    (Crédito: Conkel et al. y Balster et al.)

    Límites de especificaciones JP-8, Min Límites de especificaciones JP-8, Máx. JP-900 (real) PSU/Fuerza Aérea ReadiJet (real) Battelle/Fuerza Aérea
    Punto de inflamación, °C 38 (mín.) 61 42
    Viscosidad, cSt, -20°C 8.0 (máx.) 7.5 4.2
    Punto de congelación, °C -47 (máx.) -65 -44
    Humo pt., mm 19 (mín.) 22 25
    Azufre,% 0.3 (máx.) 0.0003 0.0
    Aromáticos,% 25 (máx.) 1.9 10
    Puñalada térmica. @260 °C 25 mm (máx.) 0 1
    Valor calorífico, BTU/lb 18,400 18,401 18,659
    Contenido de hidrógeno 13.4 13.2
    Gravedad API, 60° 37.0 51.0 31.1 44.5
    FSII (DiegMe) * 0.10 0.15 0 0
    conductividad PS/m* 150 600 0 0

    *No se incluyeron aditivos en estos combustibles para estas pruebas. Balster et al., Conkel et al.

    Unidad de Extracción con Solvente PSU - Gran Escala de Laboratorio
    Figura 8.7: Unidad de Extracción por Solvente PSU - Escala de Laboratorio Grande.

    Haga clic aquí para ver una alternativa de texto a la figura 8.7

    Este es un diagrama de la Unidad de Extracción de Solvente PSU. El diagrama muestra N 2 o H 2 gas a 100 psig siendo cargado en un extractor con un solvente de carbón (0.25 -1 kg/h). El extractor funciona a 250-500ºC. Después del extractor, hay un sedimentador a 200ºC y cualquier sólido se retira para gasificar. Siguiendo el sedimentador, hay un filtro que opera a 200ºC, 100psig, 0.25-1kg/h. Cualquier sólido se elimina para gasificar. Después del filtro, hay un receptor de líquidos y se eliminan los líquidos para una actualización adicional.

    Crédito: Dra. Caroline B. Clifford


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