Licuefacción hidrotermal - Hydrothermal liquefaction
La licuefacción hidrotermal (HTL) es un proceso de despolimerización térmica que se utiliza para convertir biomasa húmeda y otras macromoléculas en petróleo crudo a temperatura moderada y alta presión. El petróleo similar al crudo 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.
La reacción suele implicar catalizadores homogéneos y / o heterogéneos para mejorar la calidad de los productos y los rendimientos. El carbono y el hidrógeno de un material orgánico, como biomasa, turba o carbones de bajo rango (lignito) se convierten termoquímicamente en compuestos hidrófobos con baja viscosidad y alta solubilidad. Dependiendo de las condiciones de procesamiento, el combustible se puede utilizar tal como se produce para motores pesados, incluidos los marinos y ferroviarios, o se puede actualizar a combustibles de transporte, como diésel, gasolina o combustibles para aviones.
Historia
Ya en la década de 1920, se propuso el concepto de utilizar agua caliente y catalizadores alcalinos para producir petróleo a partir de biomasa. Esta fue la base de las tecnologías HTL posteriores que atrajeron el interés de la investigación, especialmente durante el embargo de petróleo de la década de 1970. Fue en ese momento que se desarrolló un proceso de licuefacción de alta presión (hidrotermal) en el Centro de Investigación de Energía de Pittsburgh (PERC) y luego se demostró (en la escala de 100 kg / h) en la Instalación Experimental de Licuefacción de Biomasa de Albany en Albany, Oregón, NOSOTROS. En 1982, Shell Oil desarrolló el proceso HTU ™ en los Países Bajos. Otras organizaciones que han demostrado previamente HTL de biomasa incluyen Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, Alemania, SCF Technologies en Copenhague, Dinamarca, Laboratorio de Investigación de Ingeniería del Agua de la EPA, Cincinnati, Ohio, EE. UU., Y Changing World Technology Inc. (CWT), Filadelfia, Pensilvania. , ESTADOS UNIDOS. Hoy en día, empresas de tecnología como Licella / Ignite Energy Resources (Australia), Arbios Biotech , una empresa conjunta Licella / Canfor, Altaca Energy (Turquía), Bio2Oil ApS (Dinamarca), Steeper Energy (Dinamarca, Canadá) y Nabros Energy (India) ) continúan explorando la comercialización de HTL. La construcción ha comenzado en Teesside, Reino Unido , para una planta de licuefacción hidrotermal catalítica que tiene como objetivo procesar 80.000 toneladas por año de residuos plásticos mixtos para 2022.
Reacciones químicas
En los procesos de licuefacción hidrotermal, las moléculas de cadena larga de carbono en la biomasa se rompen térmicamente y el oxígeno se elimina en forma de H 2 O (deshidratación) y CO 2 (descarboxilación). Estas reacciones dan como resultado la producción de aceite biológico de alta relación H / C. En la literatura se pueden encontrar descripciones simplificadas de las reacciones de deshidratación y descarboxilación (por ejemplo, Asghari y Yoshida (2006) y Snåre et al. (2007))
Proceso
La mayoría de las aplicaciones de licuefacción hidrotermal operan a temperaturas entre 250-550 ° C y altas presiones de 5-25 MPa, así como catalizadores durante 20-60 minutos, aunque se pueden usar temperaturas más altas o más bajas para optimizar los rendimientos de gas o líquido, respectivamente. A estas temperaturas y presiones, el agua presente en la biomasa se vuelve subcrítica o supercrítica, según las condiciones, y actúa como disolvente, reactivo y catalizador para facilitar la reacción de la biomasa al bioaceite.
La conversión exacta de biomasa en bioaceite depende de varias variables:
- Composición de la materia prima
- Temperatura y velocidad de calentamiento
- Presión
- Solvente
- Tiempo de residencia
- Catalizadores
Materia prima
Teóricamente, cualquier biomasa se puede convertir en bioaceite mediante licuefacción hidrotermal independientemente del contenido de agua, y se han probado varias biomasas diferentes, desde residuos forestales y agrícolas, lodos de depuradora, desechos de procesos alimentarios, hasta biomasa no alimentaria emergente como las algas. La composición de celulosa, hemicelulosa, proteína y lignina en la materia prima influye en el rendimiento y la calidad del aceite del proceso.
Tasa de temperatura y calentamiento
La temperatura juega un papel importante en la conversión de biomasa en bioaceite. La temperatura de la reacción determina la despolimerización de la biomasa en bioaceite, así como la repolimerización en carbón. Si bien la temperatura de reacción ideal depende de la materia prima utilizada, las temperaturas por encima de la ideal conducen a un aumento en la formación de carbón y eventualmente a una mayor formación de gas, mientras que las temperaturas inferiores a las ideales reducen la despolimerización y los rendimientos generales del producto.
De manera similar a la temperatura, la velocidad de calentamiento juega un papel crítico en la producción de las diferentes corrientes de fase, debido a la prevalencia de reacciones secundarias a velocidades de calentamiento no óptimas. Las reacciones secundarias se vuelven dominantes en las velocidades de calentamiento que son demasiado bajas, lo que lleva a la formación de carbón. Si bien se requieren altas velocidades de calentamiento para formar bioaceite líquido, existe una velocidad de calentamiento y una temperatura umbral en las que se inhibe la producción de líquido y se favorece la producción de gas en las reacciones secundarias.
Presión
La presión (junto con la temperatura) determina el estado supercrítico o subcrítico de los disolventes, así como la cinética de reacción general y las entradas de energía necesarias para producir los productos HTL deseables (petróleo, gas, productos químicos, carbón, etc.).
Tiempo de residencia
La licuefacción hidrotermal es un proceso rápido, lo que resulta en tiempos de residencia bajos para que ocurra la despolimerización. Los tiempos de residencia típicos se miden en minutos (de 15 a 60 minutos); sin embargo, el tiempo de residencia depende en gran medida de las condiciones de reacción, incluida la materia prima, la proporción de disolvente y la temperatura. Como tal, la optimización del tiempo de residencia es necesaria para asegurar una despolimerización completa sin permitir que ocurran más reacciones.
Catalizadores
Si bien el agua actúa como catalizador en la reacción, se pueden agregar otros catalizadores al recipiente de reacción para optimizar la conversión. Los catalizadores usados anteriormente incluyen compuestos y sales inorgánicos solubles en agua, incluidos KOH y Na 2 CO 3 , así como catalizadores de metales de transición que usan Ni , Pd , Pt y Ru soportados sobre carbono , sílice o alúmina . La adición de estos catalizadores puede conducir a un aumento del rendimiento de aceite del 20% o más, debido a que los catalizadores convierten la proteína, celulosa y hemicelulosa en aceite. Esta capacidad de los catalizadores para convertir biomateriales distintos de grasas y aceites en bioaceites permite utilizar una gama más amplia de materias primas.
Impacto medioambiental
Los biocombustibles que se producen mediante licuefacción hidrotermal son carbono neutros , lo que significa que no se producen emisiones netas de carbono al quemar el biocombustible. Los materiales vegetales utilizados para producir bioaceites utilizan la fotosíntesis para crecer y, como tales, consumen dióxido de carbono de la atmósfera. La quema de los biocombustibles producidos libera dióxido de carbono a la atmósfera, pero se compensa casi por completo con el dióxido de carbono consumido por el cultivo de las plantas, lo que da como resultado una liberación de solo 15-18 g de CO 2 por kWh de energía producida. Esto es sustancialmente más bajo que la tasa de liberación de las tecnologías de combustibles fósiles, que puede variar desde liberaciones de 955 g / kWh (carbón), 813 g / kWh (petróleo) y 446 g / kWh (gas natural). Recientemente, Steeper Energy anunció que la Intensidad de Carbono (CI) de su aceite Hydrofaction ™ es 15 CO 2 eq / MJ según el modelo GHGenius (versión 4.03a), mientras que el combustible diesel es 93.55 CO 2 eq / MJ.
La licuefacción hidrotermal es un proceso limpio que no produce compuestos dañinos, como amoníaco, NO x o SO x . En cambio, los heteroátomos , incluidos el nitrógeno, el azufre y el cloro, se convierten en subproductos inofensivos como N 2 y ácidos inorgánicos que pueden neutralizarse con bases.
Comparación con pirólisis y otras tecnologías BtL
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. 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%.
El aceite HTL puede contener hasta un 80% del contenido de carbono de la materia prima (una sola pasada). El aceite HTL tiene un buen potencial para producir bioaceites con propiedades de "gota a gota" que se pueden distribuir directamente en la infraestructura petrolera existente.