biodiesel gasificacion de la biomasa

Curso de doctorado:Aplicaciones energticas de la Biomasa

BIODIESELGASIFICACIN DE LA BIOMASA

Departamento de Ingeniera QumicaUniversidad de Extremadura

Jos Flix Garca ZapataBadajoz, Septiembre 2.007

Aplicaciones energticas de la Biomasa

BIODIESEL1. Introduccin: Definicin, especificaciones y aspectos socioeconmicos y medioambientales.2. Materias primas3. Reacciones4. Procesos industriales5. Aplicaciones6. Algunas notas sobre la industria del Biodisel en Espaa y Europa. Situacin en Extremadura.


1. INTRODUCCIN: Definicin, especificaciones y aspectos socioeconmicos y medioambientales.

Biocombustible sinttico lquido compuesto de steres monoalqulicos de cidos grasos de cadena larga derivados de lpidos renovables tales como aceites vegetales o grasas de animales,empleados en los motores de ignicin de compresin.ASTM (American Society for Testing and Material Standard)

mezcla diferentes proporciones con el gasleo para su uso en motores: B100, B30, B10, B5.

Legislacin: EN 14214, Real Decreto 1700/2003


pases en vas de desarrollo: objeto de debate entre los especialistas y los diferentes agentes sociales y gubernamentales: IMPACTO MEDIAMBIENTALefecto de competencia entre la produccin de comida y la de biocombustibles: Argentina, Mxico.

contexto europeo: desarrollo del mercado de biocarburantes - creacin de empleo en el sector primario- la fijacin de la poblacin en el mbito rural- el desarrollo industrial y de actividades agrcolas- reduccin de los efectos de la desertizacin gracias a la plantacin de cultivos energticos.


2. MATERIAS PRIMAS

triglicridos Aceites vegetales convencionales: Aceite de girasol (Espaa), aceite de colza (norte de Europa), aceite de soja (Estados Unidos), aceite de coco (Filipinas) y aceite de palma (Malasia e Indonesia). Aceites vegetales alternativos: Aceite de Brassica carinata,, aceite de Camelina sativa, aceite de Crambe abyssinica, y aceite de Jatropha curcas. Aceites de semillas modificadas genticamente: modificaciones genticas han hecho posible reducir el elevado nmero de insaturaciones, obteniendo el aceite de girasol de alto oleico. Aceites de fritura usados: grandes dificultades logsticas, por su recogida, control y trazabilidad Aceites de otras fuentes: aceites de producciones microbianas, y aceites de microalgas. Grasas animales: el sebo de vaca y sebo de bfalo se han utilizado,


3. REACCIONES

Transesterificacin (o alcohlisis) de triglicridos: reaccin de triglicridos (de entre C15 y C23) con alcoholes de bajo peso molecular (metanol, etanol, propanol, butanol) en presencia de un catalizador, para producir steres y glicerina (propanotriol o glicerol).


La reaccin de transesterificacin tiene lugar en tres etapas consecutivas y reversibles:

formacin de glicerina (propanotriol o glicerol): desplazamiento del equilibrio hacia la derecha, por ser inmiscible con los steres metlicos catalizador ms utilizado es del tipo homogneo bsico (KOH, NaOH,MetONa, MetOK) . Precaucin : glicridos (aceites) y alcohol que sean anhidros (contenido inferior al 0,06 % v/v de humedad).


Variables que afectan a la transesterificacin Acidez y humedad: los aceites y grasas deben tener un valor de cidos grasos libres (FFA) inferior al 3% y la presencia de humedad disminuye el rendimiento de la reaccin por saponificacin. Muchos aceites de bajo costo y grasas animales, con un elevado contenido en cidos grasos libres, podran ser utilizados si previamente se trataran con un catalizador cido para convertir los cidos grasos libres en esteres metlicos.Tipos y concentracin del catalizador: si el aceite de partida tiene un elevado contenido de cidos grasos y elevada humedad se debern emplear catalizadores cidos (H2SO4, HCl, H3PO4, R-SO3 ). En caso contrario, los catalizadores ms usados son KOH o NaOH en concentraciones que van de 0,4 a 2 % v/v de aceite. Relacin molar alcohol/aceite y tipo de alcohol: La conversin mxima se alcanza con una relacin alcohol aceite de 6:1. Para proporciones superiores de alcohol se tendran problemas en la separacin de la glicerina debido al incremento de su solubilidad. Tiempo de reaccin y temperatura: (Freedman, 1984) indican transesterificacin de aceite de cacahuete, semilla de algodn, girasol y soja, con metanol (6:1), catalizador metxido sdico al 0,5 % a 60 C, despus de 1 minuto el rendimiento era del 80% para la soja y el girasol, y despus de una hora la conversin era del 93% para los cuatro aceites.


4. PROCESOS INDUSTRIALES

proceso qumico central: transesterificacin de los triglicridos en tres etapas

REACTOR

etapas de separacin, estabilizacin y purificacin.

PROCESO CONTNUO vs. PROCESO DISCONTNUO


4.1. Proceso Discontnuo

reactores de carga (Batch), sellados o equipados con un condensador de reflujo, y agitados. proporcin alcohol triglicrido est en 4:1.temperatura de operacin ms habitual es de 65 C. Habitualmente se usa NaOH como catalizador, y tambin KOH, de entre 0,3% y 1,5%. Resultados de entre el 85% y 94% de conversin. Este rendimiento puede aumentarse llevando a cabo la reaccin en dos etapas, con eliminacin de la glicerina entre ellas. El tiempo de reaccin suele ser de entre 20 minutos a 1 hora.


4.2. Proceso Contnuo: reactores contnuos de tipo tanque agitado (CSTR: Continuos Stirred Tank Reactor) mayores tiempos de residencia logran aumentar el rendimiento de la reaccin. Con decantacin intermedia del glicerol: la reaccin en un segundo CSTR es mucho ms rpida, llegando fcilmente al 98% de rendimiento. Una forma de intensificar la mezcla para favorecerla reaccin de esterificacin es utilizar reactores de flujo de pistn (PFR: Plug Flow Reactor)


4.3. Proceso de Esterificacin: aceites o grasas con cierto grado de acidez debido a la presencia de cidos grasos libres, se debe optar por la reaccin de esterificacin con supercidos, para despus realizar la transesterificacin en un reactor posterior.Proceso: calentamiento de una mezcla de alcohol y del cido graso correspondiente con el catalizador cido, que suele ser cido sulfrico, que adems absorbe parte del agua producida.


4.4. Proceso combinado Esterificacin-Transesterificacin: - refina los cidos grasos de la alimentacin en un tratamiento diferenciado previo de esterificacin con catlisis cida, para posteriormente aadir catalizadores custicos a los aceites refinados y secados, para realizar la transestericacin, separando el producto final mediante centrifugacin (Caustic Stripping). - En este proceso se podran aprovechar los cidos grasos obtenidos como subproductos para alimentar un reactor anexo de esterificacin.


4.5. Proceso en condiciones supercrticas

- En ciertas condiciones de presin y temperatura necesarias no es necesaria la presencia de catalizador. condiciones supercrticas: alcohol:aceite (42:1), 350C a 400C presin superior a 80 atm la reaccin de completa en 4 minutos. los costes de instalacin y operacin hace que el escalado de estas instalaciones a nivel industrial sea todava difcil.


5. APLICACIONES El biodiesel puede ser mezclado con el gasoil en cualquier proporcin y ser usado en los vehculos disel convencionales, adems de sustituir al gasleo C de calefaccin, y limpiar vertidos de hidrocarburos. Los steres metlicos son tambin intermedios en la sntesis de muchos productos utilizados en qumica fina.ventajas que ofrece la utilizacin del BDP10 frente al gasleo convencional son:Ventajas medioambientales: se reducen las emisiones de CO, partculas, hidrocarburos, CO2 y xidos de azufre. Es biodegradable (98,3% en 21 das). No es txico. Ventajas tcnicas: mayor lubricidad (alarga la vida del motor y reduce el ruido), mayor poder disolvente (no deja que la carbonilla obstruya los conductos, manteniendo limpio el motor).inconvenientes tcnicos pueden resumirse en:Punto de congelacin del biodisel puro entre 0C y -5C: con la mezcla BDP10 baja la temperatura de congelacin adecundose a la norma espaola para el periodo de invierno.La primera vez que se utiliza BDP10 puede implicar que haya que cambiar los filtros antes de lo normal, por su gran poder disolvente.


6. Datos sobre la Industria del Biodisel sector del transporte es, de entre todos los sectores de actividad, el que presenta un futuro ms problemtico en un futuro prximo debido a su dependencia casi exclusiva (98%) del petrleo Plan de Energas Renovables (PER) 2.005. En dicho plan se fija como objetivo el valor del 12 % de contribucin de las energas renovables para el 2.010, de los que el 5,75 % debern ser biocombustibles para el transporte, lo que supone multiplicar casi por diez la produccin (de 2.005).


EXTREMADURA: 4 estaciones de servicio (128 en toda Espaa, 1.800 slo en Alemania)

Bioenergtica Extremea 2020, S.L., Valdetorres. Capacidad de produccin anual de esta planta es de 250.000 toneladas. Green Fuel Corporation . Los Santos de Maimona (Badajoz) . 35.000 toneladas de producto anuales.


GASIFICACIN DE LA BIOMASA1. Introduccin.2. Proceso de Gasificacin. Caractersticas del gas obtenido.3. Tipos de Gasificadotes. Ejemplo de instalacin.


1. INTRODUCCINLa gasificacin es un proceso en el que un slido se convierte mayoritariamente en gas por la accin del calor y de un agente gasificante (aire, O2, H2O) en una atmsfera reductora (en defecto de oxgeno), obteniendo un gas combustible que contiene principalmente monxido de carbono e hidrgeno.

Se denomina gas pobre si ha sido obtenido con aire, teniendo en este caso una importante proporcin de N2, y un poder calorfico bajo (4 - 7 MJ/m3).

En caso de haber utilizado O2 o bien H2O obtendremos el denominado gas de sntesis, con un poder calorfico mayor (10 - 12 MJ/m3).


2. PROCESO DE GASIFICACIN Secado: el agua contenida en la biomasa se elimina, a una temperatura superior a 100 C.Pirlisis: descomposicin trmica de la biomasa en ausencia de oxgeno. Se divide en pirlisis lenta y pirlisis rpida.Oxidacin: se introduce aire en el proceso (O2, vapor de agua), y algunos gases inertes. Esta etapa tiene lugar entre los 700 2000 C.Reduccin: se producen numerosas reacciones. El gas producido contiene una mezcla de gases combustibles y no combustibles, agua, polvo y compuestos de azufre (H2S) y de nitrgeno (NH3, HCN) que son indeseables por los condensados corrosivos y contaminantes en los gases de escape.


3. TIPOS DE GASIFICADORES.3.1. Gasificacin en lecho mvil en contracorriente (Gasificador Updraft):movimiento descendente del slido y ascendente del gas. Este tipo de gasificador tiene bien definidas las zonas de combustin parcial, reduccin y pirlisis. Como desventajas de este sistema, citar el alto contenido de alquitrn del gas producido y la escasa capacidad de carga. 3.2. Gasificacin en lecho mvil en corrientes paralelas (Gasificador Downcraft): el aire es introducido dentro del lecho de biomasa. Los flujos de gas y del aire son descendentes. El gran inconveniente de este sistema es el contenido de cenizas y humedad en el gas producido, adems del elevado tiempo de encendido (20 30 minutos). Este tipo de funcionamiento es ms aplicable a motores de combustin interna y turbinas de gas.3.3. Gasificacin en lecho fluidizado (Gasificador Crossdraft): no existen unas zonas definidas del reactor donde se lleven a cabo los diferentes procesos. Estos se dan simultneamente en todos los lugares del gasificador. Ventajas con respecto a los dos sistemas anteriores: el tiempo de arranque es de unos 5 minutos, puede funcionar con combustibles hmedos y secos, y la temperatura del gas producido es relativamente alta. La desventaja es la necesidad de utilizar combustibles con bajo contenido en cenizas, como la madera y el carbn mineral.


Los reactores de lechos mviles(updraft o downdraft): son adecuados para pequeas capacidades de procesamiento (inferiores a 1 4 MW)uno de los aspectos crticos de este tipo de reactores la densidad, el tamao, la distribucin de tamaos, y la forma de las partculas de biomasa, que deben cumplir unos requerimientos concretos.

El reactor de lecho fluidizado: es apropiado para capacidades de procesamiento medianas y grandes (5 10 MW)ventajas frente a los anteriores: flexibilidad en cuanto a las cantidades y calidades de biomasa alimentada, posibilidad de usar catalizadores y aditivos, control del proceso relativamente sencillo y escalado fiable.


Instalacin de gasificacin de Biomasa: produccin de biocombustibles y energa (Ducente AB, Suecia)


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