Reformado supercrítico de compuestos orgánicos residuales presentes en la fracción acuosa del bio-oilEstudio de la conversión termoquímica y valorización energética

Resumen

El bio-oil producido a partir de la pirólisis rápida de la biomasa sólida procedente de residuos agrícolas, forestales e industriales tiene un gran potencial para ser utilizado como combustible renovable o fuente de materias primas químicas. Añadiendo agua, puede separarse el bio-oil en dos fases. La primera de ellas presenta compuestos orgánicos de alto valor, pero la segunda es una fracción acuosa cuya concentración de orgánicos es del 15-35 %p. Esta fracción se considera un residuo de difícil valorización por el alto consumo energético que supondría la evaporación del agua. Una ruta posible de valorización energética es el reformado con agua supercrítica, que permite la transformación de los compuestos orgánicos en gas de síntesis, presentando diversas aplicaciones. En la Tesis Doctoral, se investiga esta ruta de valorización, y se propone la producción de biocombustibles a través de una síntesis de Fischer-Tropsch. El estudio experimental se ha centrado en la conversión termoquímica mediante reformado con agua supercrítica (SCWR) de cuatro compuestos orgánicos representativos de la fracción acuosa del bio-oil (ácido acético, hidroxiacetona, 1- butanol y glucosa), tanto por separado como mezclados entre sí, en un reactor tubular. Se ha investigado el efecto de la concentración de orgánicos, el caudal alimentado, la temperatura, el tiempo de residencia en pruebas sin catalizador y la velocidad espacial en pruebas catalíticas. Se han obtenido conversiones muy altas, de hasta el 99,5 % y eficiencias de carbono a gas superiores al 90 %. Por el contrario, la producción molar específica de los gases producto (H2, CO2, CH4 y CO, principalmente) estuvo lejos de la indicada por el equilibrio en los ensayos realizados sin catalizador. A partir de los análisis de muestras, se ha propuesto un mecanismo de reacciones químicas que permite explicar los resultados experimentales considerando las interacciones entre compuestos alimentados e intermedios generados en el proceso. En los ensayos con catalizador, los valores experimentales de producción molar específica de gases (altos para el hidrógeno) se acercaron mucho a los valores de equilibrio. Además, a partir de ensayos de quimisorción y otros análisis físico-químicos del catalizador, se determinó el número de sitios activos y se obtuvieron valores de velocidades de reacción, determinándose los parámetros de Arrhenius (factor pre-exponencial y energía de activación aparente). El estudio de aplicación del gas de síntesis producido en el proceso SCWR consiste en la producción de biocombustibles líquidos (gasolina, diesel y queroseno) y de electricidad, a partir del proceso de síntesis Fischer-Tropsch. Esta aplicación se ha desarrollado mediante simulación rigurosa en Aspen Plus v8.0, analizándose diferentes casos que incluyen la variación del caudal de alimentación, la composición de la alimentación al proceso, y las condiciones de operación en el reactor de síntesis Fischer- Tropsch. De este modo, se han encontrado las condiciones de operación óptimas que maximizan la producción de biocombustibles y electricidad; así, por ejemplo, pueden, obtenerse 4,6 t/h de biocombustibles y 5,3 MWe a partir de un caudal y concentración total de fase acuosa de 60 t/h y 35,0 %p, respectivamente. La planta se ha diseñado para ser energéticamente autosuficiente, por lo que no es necesario el aporte de un combustible externo ni de energía eléctrica de la red en condiciones estacionarias. También, se aprovecha el agua de refrigeración para calentamiento de oficinas y se captura CO2, de modo que el balance de emisiones de este gas a la atmósfera es negativo. Asimismo, se ha realizado una evaluación tecno-económica y se ha podido comprobar que el proyecto puede ser viable, atractivo y competitivo en determinadas condiciones porque el precio mínimo de venta de los biocombustibles sería menor al de los combustibles fósiles.