El aceite de pirólisis , a veces también conocido como biocrudo o bioaceite , es un combustible sintético que se está investigando como sustituto del petróleo . Se obtiene calentando biomasa seca sin oxígeno en un reactor a una temperatura de aproximadamente 500 ° C con enfriamiento posterior. 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 produce no volatilidad, corrosividad, inmiscibilidad con combustibles fósiles, inestabilidad térmica y tendencia a polimerizar cuando se expone al aire. [1]Como tal, es claramente diferente de los productos del petróleo. Eliminar el oxígeno del bioaceite o el nitrógeno del bioaceite de algas se conoce como mejora. [2]
Estándares
Existen pocos estándares para el aceite de pirólisis debido a los esfuerzos limitados para producirlo. Uno de los pocos estándares es de ASTM . [3]
Descomposición de materia prima
La pirólisis es una técnica bien establecida para la descomposición de material orgánico a temperaturas elevadas en ausencia de oxígeno en aceite y otros componentes. En aplicaciones de biocombustibles de segunda generación, los residuos agrícolas y forestales, los desechos de madera, los desechos del jardín y los cultivos energéticos se pueden utilizar como materia prima.
Pirólisis de madera
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Cuando la madera se calienta por encima de 270 ° C, comienza un proceso de descomposición llamado carbonización. En ausencia de oxígeno, el producto final es carbón vegetal. Si hay suficiente oxígeno presente, la madera se quemará cuando alcance una temperatura de aproximadamente 400-500 ° C y el producto de combustión y el fuego serán cenizas de madera. Si la madera se calienta lejos del aire, primero se elimina la humedad y hasta que esto se completa, la temperatura de la madera permanece en aproximadamente 100-110 ° C. Cuando la madera está seca, su temperatura aumenta y, a unos 270 ° C, comienza a descomponerse espontáneamente y a generar calor. Ésta es la reacción exotérmica bien conocida que tiene lugar en la combustión del carbón vegetal. En esta etapa comienza la evolución de los subproductos de la carbonización. Estas sustancias se desprenden gradualmente a medida que aumenta la temperatura y, a unos 450 ° C, se completa el desprendimiento.
El residuo sólido, el carbón vegetal, es principalmente carbón (alrededor del 70%), y el resto son sustancias similares al alquitrán que pueden eliminarse o descomponerse completamente solo elevando la temperatura por encima de aproximadamente 600 ° C para producir Biochar , un alto contenido de carbono. , residuo de grano fino que hoy se produce a través de los modernos procesos de pirólisis , que es la descomposición térmica directa de la biomasa en ausencia de oxígeno , lo que evita la combustión , para obtener una matriz de sólidos (biocarbón), líquidos: aceite de pirólisis (bioaceite / aceite de pirólisis) y productos de gas (gas de síntesis ). El rendimiento específico de la pirólisis depende de las condiciones del proceso. como la temperatura, y se puede optimizar para producir energía o biocarbón. [4] Las temperaturas de 400 a 500 ° C (752 a 932 ° F) producen más carbonilla , mientras que las temperaturas superiores a 700 ° C (1292 ° F) favorecen el rendimiento de componentes de combustible líquidos y gaseosos. [5] La pirólisis ocurre más rápidamente a temperaturas más altas, por lo general requiere segundos en lugar de horas. La pirólisis a alta temperatura también se conoce como gasificación y produce principalmente gas de síntesis . [5] 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 las entradas típicas, la energía requerida para hacer funcionar un pirolizador "rápido" es aproximadamente el 15% de la energía que produce. [6] Las plantas de pirólisis modernas pueden utilizar el gas de síntesis creado por el proceso de pirólisis y producir de 3 a 9 veces la cantidad de energía necesaria para funcionar.
Pirólisis de algas
Las algas pueden estar sometidas a altas temperaturas (~ 500 ° C) y presiones atmosféricas normales. Los productos resultantes incluyen aceite y nutrientes como nitrógeno, fósforo y potasio.
Existen numerosos trabajos sobre la pirólisis de biomasa lignocelulósica. Sin embargo, hay muy pocos informes disponibles para la producción de bioaceites de algas mediante pirólisis. Miao y col. (2004b) realizaron pirólisis rápida de Chllorella protothecoides y Microcystis areuginosa a 500 ° C, y se obtuvieron rendimientos de bioaceites del 18% y 24%, respectivamente. El bioaceite exhibió un mayor contenido de carbono y nitrógeno, menor contenido de oxígeno que el bioaceite de madera. Cuando los prototecoides de Chllorella se cultivaron heterotróficamente, el rendimiento de bioaceite aumentó a 57,9% con un poder calorífico de 41 MJ / kg (Miao et al., 2004a). Recientemente, cuando las microalgas se convirtieron en un tema de investigación candente como la tercera generación de biocombustible, la pirólisis ha atraído más atención como un método de conversión potencial para la producción de biocombustible de algas. Pan y col. (2010) investigaron la pirólisis lenta de Nannochloropsis sp. residuo con y sin presencia de catalizador HZSM-5 y obtenido bioaceite rico en hidrocarburos aromáticos de la pirólisis catalítica. Los líquidos pirolíticos de algas se separan en dos fases con la fase superior llamada bioaceite (Campanella et al., 2012; Jena et al., 2011a). Los valores caloríficos más altos (HHV) del bioaceite de algas están en el rango de 31-36 MJ / kg, generalmente más altos que los de las materias primas lignocelulósicas. El bioaceite pirolítico consiste en compuestos con pesos moleculares medios más bajos y contiene más compuestos de bajo punto de ebullición que el bioaceite producido por licuefacción hidrotermal. Estas propiedades son similares a las del aceite de esquisto de Illinois (Jena et al., 2011a; Vardon et al., 2012), lo que puede indicar que el bioaceite pirolítico es adecuado para reemplazar el petróleo. Además, el alto contenido de proteína en las microalgas condujo a un alto contenido de N en el bioaceite, lo que resultó en emisiones indeseables de NOx durante la combustión y desactivación de catalizadores ácidos cuando se co-procesa en 10 refinerías de petróleo crudo existentes. El bioaceite de algas tenía mejores cualidades en muchos aspectos que los producidos a partir de biomasa lignocelulósica. Por ejemplo, el bioaceite de algas tiene un valor calorífico más alto, un contenido de oxígeno más bajo y un valor de pH superior a 7. Sin embargo, aún es necesario mejorar hacia la eliminación de nitrógeno y oxígeno en el bioaceite antes de que pueda usarse como combustible directo. [7]
Licuefacción hidrotermal de algas
La licuefacción hidrotermal (HTL) es un proceso de despolimerización térmica que se utiliza para convertir la biomasa húmeda en un aceite, a veces denominado bioaceite o biocrudo, bajo una temperatura moderada y alta presión [8] de 350 ° C (662 ° F) y 3,000 libras por pulgada cuadrada (21,000 kPa). El petróleo similar al crudo (o bioaceite) tiene una alta densidad energética con un valor calorífico inferior de 33,8-36,9 MJ / kg y un 5-20% en peso de oxígeno y productos químicos renovables. [9] [10]
El proceso HTL se diferencia de la pirólisis porque puede procesar biomasa húmeda y producir un bioaceite que contiene aproximadamente el doble de la densidad energética del aceite de pirólisis. La pirólisis es un proceso relacionado con HTL, pero la biomasa debe procesarse y secarse para aumentar el rendimiento. [11] La presencia de agua en la pirólisis aumenta drásticamente el calor de vaporización de la materia orgánica, aumentando la energía necesaria para descomponer la biomasa. Los procesos de pirólisis típicos requieren un contenido de agua de menos del 40% para convertir adecuadamente la biomasa en bioaceite. Esto requiere un tratamiento previo considerable de la biomasa húmeda, como los pastos tropicales, que contienen un contenido de agua de hasta el 80-85%, e incluso un tratamiento adicional para las especies acuáticas, que pueden contener un contenido de agua superior al 90%. Según Algal HTL, las propiedades del bioaceite resultante se ven afectadas por la temperatura, el tiempo de reacción, las especies de algas, la concentración de algas, la atmósfera de reacción y los catalizadores, en condiciones de reacción de agua subcríticas.
Bio-crudo
El biocombustible generalmente requiere un tratamiento adicional significativo para hacerlo adecuado como materia prima de refinería para reemplazar el petróleo crudo derivado del petróleo , el petróleo de carbón o el alquitrán de hulla .
El alquitrán es una mezcla negra de hidrocarburos y carbono libre obtenida de una amplia variedad de materiales orgánicos mediante destilación destructiva . [12] [13] [14] [15] El alquitrán se puede producir a partir de carbón , madera , petróleo o turba . [15]
- El alquitrán de pino es un material pegajoso producido por la carbonización a alta temperatura de la madera de pino en condiciones anóxicas (destilación seca o destilación destructiva ). La madera se descompone rápidamente aplicando calor y presión en un recipiente cerrado; los principales productos resultantes son el carbón vegetal y el alquitrán de pino . El alquitrán de pino se compone principalmente de hidrocarburos aromáticos , ácidos de alquitrán y bases de alquitrán. Los componentes del alquitrán varían según el proceso pirolítico (por ejemplo, método, duración, temperatura) y el origen de la madera (por ejemplo, edad de los pinos, tipo de suelo y condiciones de humedad durante el crecimiento del árbol).
- El alquitrán de abedul es una sustancia (líquida cuando se calienta) derivada de la destilación en seco de la corteza del abedul . Está compuesto de fenoles como guayacol , cresol , xilenol y creosol (no confundir con cresol ).
La creosota de alquitrán de madera es un líquido graso de incoloro a amarillento con olor a humo, produce una llama hollín cuando se quema y tiene un sabor a quemado. No flota en el agua, con un peso específico de 1.037 a 1.087, retiene la fluidez a una temperatura muy baja y hierve a 205-225 ° 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 constituyen el 50% del aceite; segundo en prevalencia, cresol y xilenol ; el resto es una combinación de monofenoles y polifenoles .
Pitch es un nombre para cualquiera de los polímeros viscoelásticos . La brea puede ser natural o fabricada, derivada del petróleo , alquitrán de hulla [16] o de plantas.
El licor negro y el aceite de resina es un subproducto líquido viscoso de la fabricación de pulpa de madera.
El aceite de caucho es el producto del método de pirólisis para reciclar neumáticos usados.
Biocombustible
Los biocombustibles se sintetizan a partir de productos intermedios como el gas de síntesis utilizando métodos que son idénticos en procesos que involucran materias primas convencionales, biocombustibles de primera y segunda generación. La característica distintiva es la tecnología involucrada en la producción del producto intermedio, más que el producto 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 agregado a partir de la biomasa . El concepto de biorrefinería es análogo a la refinería de petróleo actual , que produce múltiples combustibles y productos a partir del petróleo . [17]
- El biodiesel es un combustible diesel derivado de lípidos animales o vegetales (aceites y grasas). Se puede utilizar una variedad de aceites como materia prima de 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 los motores diesel sin modificar. Se utilizan o se plantan nuevas plantas para reemplazar las viejas. El subproducto del carbón vegetal se devuelve al suelo como fertilizante. Este biocombustible en realidad puede ser carbono negativo, no solo carbono neutral. Los procesos de carbono negativo disminuyen el dióxido de carbono en el aire, invirtiendo el efecto invernadero y no solo reduciéndolo. [18] [19]
- 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 aceitosa de la biomasa de algas se puede extraer y convertir en biodiesel mediante un proceso similar al utilizado para cualquier otro aceite vegetal , o convertirse en una refinería en reemplazos "directos" para combustibles a base de petróleo. [20] [21] La algacultura puede utilizar materiales de desecho como las aguas residuales [22] y sin desplazar la tierra actualmente utilizada para la producción de alimentos.
Ver también
- Biodiesel
- Hidrodesoxigenación
- Combustible de algas
- Destilación seca
- Biocombustible
- Biocombustibles de segunda generación
Referencias
- ^ Crocker, Mark (2010). Conversión termoquímica de biomasa en combustibles líquidos y químicos . Real Sociedad de Química. pag. 289. ISBN 978-1-84973-035-8.
- ^ Lee, James W. (30 de agosto de 2012). Biocombustibles y bioproductos avanzados . Springer Science & Business Media. pag. 175. ISBN 978-1-4614-3348-4.
- ^ Especificación estándar para biocombustible líquido de pirólisis http://www.astm.org/Standards/D7544.htm
- ^ Gaunt y Lehmann 2008 , págs. 4152, 4155CO
2MW-1 donde se aplica biochar a la tierra. Esto se compara con las emisiones de 600 a 900 kilogramos (1300 a 2000 lb) de CO
2MW-1 para tecnologías basadas en combustibles fósiles). ("Suponiendo que la energía en el gas de síntesis se convierte en electricidad con una eficiencia del 35%, la recuperación en el balance energético del ciclo de vida varía de 92 a 274 kg (203 a 604 lb) CO 2 MW-1 de electricidad generada donde la pirólisis El proceso está optimizado para energía y de 120 a 360 kilogramos (790 lb) de - ^ a b Winsley, Peter (2007). "Producción de biocarbón y bioenergía para la mitigación del cambio climático". Revisión de la ciencia de Nueva Zelanda . 64 . (Consulte la Tabla 1 para ver las diferencias en la producción para Rápido, Intermedio, Lento y Gasificación).
- ^ Laird 2008 , págs. 100, 178-181 "La energía necesaria para operar un pirolizador rápido es aproximadamente el 15% de la energía total que se puede derivar de la biomasa seca. Los sistemas modernos están diseñados para utilizar el gas de síntesis generado por el pirolizador para satisfacer todas las necesidades energéticas del pirolizador".
- ^ ZHENYI DU (enero de 2013). "CONVERSIÓN TERMOQUÍMICA DE MICROALGAS PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES" (PDF) . pag. 8 . Consultado el 15 de octubre de 2016 .
- ^ Akhtar, Javaid; Amin, ni Aishah Saidina (1 de abril de 2011). "Una revisión sobre las condiciones del proceso para un rendimiento óptimo de bioaceites en la licuefacción hidrotermal de biomasa". Revisiones de energías renovables y sostenibles . 15 (3): 1615-1624. doi : 10.1016 / j.rser.2010.11.054 .
- ^ Elliott, Douglas C. (1 de mayo de 2007). "Desarrollos históricos en el hidroprocesamiento de bioaceites". Energía y combustibles . 21 (3): 1792–1815. doi : 10.1021 / ef070044u . ISSN 0887-0624 .
- ^ Goudriaan, F .; Peferoen, DGR (1 de enero de 1990). "Combustibles líquidos a partir de biomasa mediante un proceso hidrotermal". Ciencias de la Ingeniería Química . 45 (8): 2729–2734. doi : 10.1016 / 0009-2509 (90) 80164-a .
- ^ Bridgwater, AV; Peacocke, GVC (marzo de 2000). "Procesos rápidos de pirólisis de biomasa". Revisiones de energías renovables y sostenibles . 4 : 1–73. doi : 10.1016 / s1364-0321 (99) 00007-6 .
- ^ Daintith, John (2008). "alquitrán". Un diccionario de química (6ª ed.). Prensa de la Universidad de Oxford. doi : 10.1093 / acref / 9780199204632.001.0001 . ISBN 9780199204632. Consultado el 14 de marzo de 2013 .
- ^ "Alquitrán: Definición" . Miriam Webster . Consultado el 14 de marzo de 2013 .
- ^ "Alquitrán: Definición" . Diccionario Collins . Consultado el 14 de marzo de 2013 .
- ^ a b "alquitrán y brea" (6ª ed.). La enciclopedia electrónica de Columbia . Consultado el 14 de marzo de 2013 .
- ^ BOCA DE ALQUITRÁN DE CARBÓN, ALTA TEMPERATURA
- ^ Dr. WJ Smith, Consultoría de Tamutech. Mapeo del desarrollo de complejos de biorrefinería del Reino Unido Archivado el 2 de abril de 2016 en la Wayback Machine , NNFCC, el 20 de junio de 2007. Consultado el 16 de febrero de 2011.
- ^ "Desarrollo de nuevo biocombustible a partir de árboles" . www.sciencedaily.com . 20 de mayo de 2007 . Consultado el 17 de octubre de 2016 .
- ^ Ojus, Doshi (mayo de 2007). "Nuevo método desarrollado para extraer biocombustible de madera | JYI - La revista de investigación de pregrado" . www.jyi.org . Consultado el 17 de octubre de 2016 .
Según los investigadores, el proceso es muy sencillo de realizar. 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 una madera, carbón vegetal y gas. El gas se condensa rápidamente para producir un líquido categorizado como bioaceite. "No se puede usar 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 ser utilizado en motores diesel, el bioaceite debe disolverse en biodiesel, un combustible diesel alternativo que se produce a partir de grasas animales o aceites vegetales. Sin embargo, el alto contenido de agua y oxígeno evita que esto suceda. Después de que el equipo de Adams realizó tratamientos químicos, se eliminó la mayor parte del agua y el bioaceite se mezcló con biodiésel y se probó en motores diésel convencionales.
- ^ "Combustibles renovables de algas impulsados por el proceso de refinería de NREL - Comunicados de prensa | NREL" . www.nrel.gov . Consultado el 16 de octubre de 2016 .
- ^ 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 integrado de biorrefinería para producir biocombustibles y bioproductos de algas" . Investigación de algas . 19 : 316–323. doi : 10.1016 / j.algal.2015.12.021 .
- ^ Errol Kiong (12 de mayo de 2006). "La empresa de Nueva Zelanda fabrica biodiésel de aguas residuales en primer lugar en el mundo" . The New Zealand Herald . Consultado el 10 de enero de 2007 .
enlaces externos
- Aceite de pirólisis: un biocombustible líquido innovador para calefacción .
- El sitio web de PyroKnown está dedicado a compartir conocimientos y aprender sobre la pirólisis rápida de biomasa.
- Bioaceite (mediante pirólisis / conversión termoquímica) y Tall Oil para la producción de biocombustibles avanzados
- Producción de aceite de pirólisis a gran escala: una evaluación tecnológica y un análisis económico