Pirólisis
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EUROCLIMA Bioenergy Workshop, 12 y 13 de marzo, Santiago-Chile Actividades en Bioenergía Unidad de Desarrollo Tecnológico Dra. Cristina Segura Castillo Jefe de Área Bioenergía Unidad de Desarrollo Tecnológico • Centro de I&D fundado en 1996 y dependiente de la Vicerrectoría de I+D de la Universidad de Concepción. Nuestro campo de acción es: BIOREFINERÍAS FORESTALES . • Áreas de Trabajo: (1) Biomateriales, (2) Bioenergía, (3) Productos Químicos, (4) Medio Ambiente y (5) Gestión Tecnológica. • 104 colaboradores contratados, 25 investigadores académicos asociados y aprox. 50 estudiantes/año. • Infraestructura: 3800 m² construidos; numerosas plantas piloto y 6 laboratorio especializados. INTRODUCCIÓN • Chile posee una industria forestal bien desarrollada, cuenta con aproximadamente 2,3 millones de hectáreas de plantaciones productivas, que generan un volumen considerable de residuos, tanto madereros como del manejo forestal. • Fuente renovable atractiva para impulsar proyectos energéticos en el país. • Aprovechamiento integral de la biomasa: Biorefinerías Disponibilidad de Biomasa para Uso Energético Uso actual Adicional Industrias (residuos de pino y eucalipto) 4,5 M ton Leña (madera nativa) 8,5 M ton Plantaciones (2014) (20% de 10 Mm3) 1 M ton Subproducto Forestales 2 M ton Paja de trigo Total 13 M ton Bosque Nativo (manejo sustentable) Total 1,5 M ton 2 M ton 6,5 Mton Características de la Biomasa • Biomasa disponible está dispersa, de calidad heterogénea y baja densidad energética. PROCESOS TERMOQUIMICOS Pirólisis Torrefacción Pirólisis rápida Pirólisis intermedia Pirólisis lenta Gasificación ~ 250 °C ~ 500 °C ~ 500 °C ~ 400°C ~ 800°C ~ 30 min ~1s minutos largo largo 0% 75 % 50 % 30 % 5% Líquido 86% 12% 20% 35% 10% Sólidos 14% 13% 30% 35% 85% Gases Torrefacción Materia prima: • Residuos cosecha forestal o bosque nativo manejado sustentablemente. Propósito: • Facilitar la conminución del material (molienda más fácil). • Aumentar el poder calorífico de la biomasa (aumento en un 15-20%). • Aumentar densidad másica de pellets fabricados del material torrefactado en comparación con la biomasa forestal (aumento de un 20%, aprox.). Aplicación: Producción de pellets para uso industrial. Torrefacción Combustible sólido Densidad másica kg/m3 estéreo Densidad energética MWh/m3 estéreo Aserrín de pino (50% agua) 200 0,6 Pellet de pino 650 3,2 Pellet de pino torrefactado 800 4,9 Carbón 830 6,9 Chip de madera 200-400 kg/m 3 Pellets de madera 650 kg/m3 Pellets torrefactados 850 kg/m3 Carbón 850 kg/m3 Diseño de planta piloto de UDT Planta Piloto de Torrefacción UDT Torrefacción Material torrefactado Torrefacción Gráfico Van Krevelen para Eucalipto 0.15 0.14 eT d nto e m Au 0.13 H/C 0.12 0.11 EG-15 minutos 0.10 EG-30 minutos 0.09 Materia Prima Carbón Isla Riesco 0.08 Carbón Tocopilla 0.07 0.06 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 O/C 0.7 0.8 0.9 1.0 PIROLISIS RAPIDA DE BIOMASA Biomasa Secado Reactores: Lecho fluidizado burbujeante, lecho fluidizado circulante, cono rotatorio ablativo, tornillo Auger, de flujo laminar < 10% Molienda < 3 mm Pirólisis rápida 500 °C <2s Gases CO, CO2 CH4, H2, C nHm Condensación Bio-oil Carboncillo • Densificar energéticamente biomasa. • Obtener un biocombustible. • Producir un “bio-crudo” como materia prima para obtener productos químicos y energía. Tecnología de Pirólisis Rápida de Biomasa Planta piloto de UDT Pyrolysis gas recycle Flue gases Hot-gas filter Cyclone Quench Air 0 Pyrolysis Gas Combustion Electrostatic Precipitator Pyrolysis Sand Air Biomass Ash 10 kg/h Char Char combustion Cyclone Bio-oil Reactor de pirólisis Precalentador de arena Tren de limpieza de gases Condensador de bio-oil Silo alimentador de biomasa Precipitador electroestático Reactor combustión de carboncillo Estanque de almacenamiento Bio-oil • • • • • • • Mezcla compleja multicomponente (>400) Alto contenido de oxígeno Químicamente inestable Amplio rango de PM MW (1000 Da) Carácter coloidal Sólidos finos dispersos Detectable por GC-MS máx 40% Caracterización del Bio-oil Fecha Temperatura de pìrólisis Densidad Viscosidad @ 40° C Bio-oil envejecido 24h at 80° C Insolubles en agua (lignina) Número ácido total ° C kg/m3 cSt cSt 05-2010 520 1182 13.3 21.7 %p mg KOH/g 17 64 Grupos carbonilos Sólidos (como insolubles en etanol) Solubles en agua, insolubles en éter Contenido de agua mol/kg %w %w %w 4.9 0.66 26.7 28 Poder calorífico inferior MJ/kg 16 – 19 FONDEF D07-I-1137: Obtención de Productos Químicos de Alto Valor y Combustible Líquido Mediante Conversión Termoquímica de Biomasa Aplicaciones Bio-Oil • Densificación Energética Densified biofuels kg/m3 MWh/m3 Aserrín de pino 200 0,6 Pellets de pino 650 3,2 Pellets de pino torrefactado 800 4,9 1200 6,3 Bio oil • Combustible Industrial – – – – – Contenido calórico: 50% de Fuel Oil #6 Contenido de agua: 20-30% Corrosividad: pH 2-3, incombatible con infrastructure existente Inestable: mezcla reactiva, especialmente durante los primeros 6 meses Difícil ignición: Pocos volátiles Aplicaciones Bio-Oil • Aplicaciones Químicas – Humo líquido – Lignina pirolítica: Polifenoles naturales • Adhesivos fenol-formaldehído, materiales termoplásticos y otras aplicaciones. – Aldehídos: Glicolaldehído, 2-furfuraldehído • Componente de resinas, disinfectante, etilen glicol bioquímico. – Ácidos carboxílicos: Ácidos acético, fórmico, propiónico • Aditivo ensilaje, pulpaje Acetosolv y aplicaciones tradicionales . – Azúcares anhidros: Levoglucosano, celobiosano • Fermención a etanol, materia prima para surfactante glicosídico, dextrinas. Conclusión • Los procesos pirolíticos tienen grandes ventajas frente a otros procesos de conversión: Se puede procesar todo tipo de materias primas forestales, las capacidades de producción y costos de inversión son bajos y la eficiencia energética de conversión es muy alta. • La torrefacción es una alternativa altamente prometedora para densificar energéticamente la biomasa forestal y, en función de ello, masificar su aplicación. • La pirólisis rápida permite obtener un producto líquido con altos rendimientos, el que puede ser aplicado directamente o ser fuente de diversas fracciones de productos químicos de interés comercial. Muchas gracias Dra. Cristina Segura Jefe de Área Bioenergía Unidad de Desarrollo Tecnológico [email protected]
