Proyecto VA191U14

Estudio del proceso de obtención de metanol, hidrógeno y diésel Fischer-Tropsch, a partir de syngas procedente de cultivos energéticos 

Ref.: VA191U14

Introducción.

El consumo total de hidrocarburos, petróleo y gas natural en la energía final representa el 62,8% del total en 2014 (SEE, 2014), siendo esta cifra superior a la media de los países del entorno económico, y haciéndose necesario redoblar los esfuerzos en diversificación y ahorro energético, para reducir en lo posible esta excesiva dependencia de los hidrocarburos, que lastran la balanza comercial, dependiendo excesivamente del exterior, ya que la producción interior de hidrocarburos no alcanza ni el 0,2% de las necesidades.

En este contexto, los procesos de gasificación de biomasa lignocelulósica, se encuentran dentro de las tecnologías más prometedoras, ya que permite la obtención de un gas de síntesis (syngas) que puede ser empleado tanto para la obtención de un amplio abanico de biocombustibles de 2ª generación (diésel sintético o diésel Fischer-Tropsch, metanol, hidrógeno, dimetil éter o DME, etc.). Además, a diferencia de otras tecnologías de Energías Renovables, permiten la utilización de una gran variedad de materias primas (residuos forestales, herbáceos, residuos líquidos carbonosos, etc.), que no entran en competencia con los mercados alimentarios (como es el caso del biodiésel obtenido a partir de aceites vegetales).

Otra importante ventaja que presenta, es su versatilidad, ya que el syngas puede emplearse no sólo para la síntesis de biocombustibles, sino también para la obtención de otros tipos de compuestos (derivados plásticos, amoniaco, etc.), así como para la generación de energía eléctrica. Además, la energía térmica de las distintas corrientes del proceso puede aprovecharse para la generación de calor y frío.

Sin embargo, a día de hoy, su desarrollo precisa de un amplio programa de investigación que, entre otros, debe abarcar los siguientes puntos:

• Incrementar la flexibilidad y versatilidad de los sistemas de gasificación con el fin de aprovechar tanto biomasas herbáceas como leñosas, y obtener diferentes productos en un mismo equipo. Existe una escasa experimentación en lo referente a procesos de gasificación en el mismo reactor encaminados a la obtención de diferentes productos empleando diferentes tipos de materias primas, sin embargo, su desarrollo incrementará en gran medida la flexibilidad y la viabilidad de estas instalaciones.
• Mejorar los sistemas de limpieza del gas, con el fin de alcanzar los altos requerimientos que se precisan tanto para su empleo como gas de síntesis, como para la obtención de energía eléctrica. A día de hoy y en algunos casos, estos requerimientos han obligado al empleo de sistemas de lavado con agua, con el consiguiente encarecimiento del proceso al generar un residuo que requiere de un tratamiento posterior altamente costoso.
• Desarrollo de modelos que permitan simular los complejos procesos que transcurren en los reactores de gasificación, así como en los procesos de síntesis de los diferentes biocombustibles.

El Proyecto, se centra precisamente en el estudio de esta líneas, desarrollando tanto a nivel de laboratorio como de planta piloto un estudio sistemático de los distintos procesos implicados (gasificación en lecho fluidizado burbujeante, limpieza del gas y síntesis de biocombustibles de 2ª Generación), así como su correspondiente modelado.

Objetivos.

El objetivo principal del Proyecto consiste en contribuir a desarrollar una tecnología que permita la obtención conjunta o individual de biocombustibles alternativos (diésel Fischer-Tropsch, metanol e hidrógeno) y energía eléctrica, mediante la aplicación de procesos de gasificación a biomasa procedente de cultivos energéticos (cardo y chopo), aplicando procedimientos de química verde que permitan minimizar y/o revalorizar los residuos generados.

El desarrollo de biocombustibles procedentes de biomasa, pueden obtenerse de residuos forestales y agrarios, pero en última instancia precisan de un suministro constante y estable de materia prima, en este sentido los cultivos energéticos juegan un papel esencial, ejemplo de este tipo de cultivos pueden ser el cardo y el chopo que por sus características pueden ser empleados en diferentes zonas de Castilla y León.

Figura 3. Biomasas empleadas

Principales avances y conclusiones.

• Se han desarrollado modelos cinéticos de degradación térmica en atmosfera inerte de estas dos especies (cardo y chopo), con el fin de tener caracterizada la etapa inicial de pirólisis, que es la etapa inicial de cualquier proceso de gasificación en la cual se generan los alquitranes iniciales.

Figura 34. Datos experimentales y modelo del Tar durante la desvolatilización del cardo.

• Se han realizado en un lecho fluidizado burbujenate, pruebas de gasificación variando la Relación Equivalente (ER) y el tipo de agente gasificante, determinando la cantidad de alquitrán generado y la composición del gas. Las principales conclusiones de este estudio han sido:
  • Al aumentar el valor de ER y por lo tanto la temperatura, disminuyen la concentración del alquitrán total.
  • También disminuyen con la ER las siguientes familias: Compuestos aromáticos de 1 y 2 anillos, fenol, cresoles, heteroaromáticos oxigenados.
  • Al aumentar la ER sin embrago, los gases se concentran en compuestos recalcitrantes como: benceno, naftaleno, y compuestos de 3 y de más de 4 anillos aromáticos.
  • Desde el punto de vista del agente gasificante y la producción de alquitranes, el que menor cantidad genera es el aire enriquecido, seguido del aire y finalmente la mezcla vapor/aire.
  • El empleo de oxígeno reduce comparativamente la concentración de compuestos recalcitrantes.
  • Estos datos, refuerzan la conclusión de que el tipo de agente gasificante más adecuado es el aire enriquecido, empleando una relación estequiométrica 0,3- 0,4.

• Se han realizado pruebas de eliminación de alquitranes con diversos biodisolventes, con el fin de eliminar los restos de alquitrán, encontrando que el biodisolvente más adecuado en este caso era el aceite residual de girasol.

• Se ha llevado a cabo un modelado del proceso de gasificación para la producción de syngas mediante MATLAB. El modelo desarrollado, se basa en modelos de equilibrio no estequiométrico, ya que este tipo de modelos
  permite conocer la composición del gas generado en función de las variables de entrada: Composición de la biomasa, tipo y composición del agente gasificante, relación ER, y temperatura de operación.

Figura 7. Simulación de la composición del syngas durante la gasificación del chopo con aire enriquecido y ER=0,3.

• Se ha realizado un modelo en ASPEN, que permite simular la producción de los tres biocombustibles (metanol, hidrógeno y diésel Fischer-Tropsch) mediante ASPEN.

Figura 110. Esquema simplificado del proceso para la síntesis de metanol, hidrógeno y diesel Fischer-Tropsch

• Como resultado del proyecto se observa que para incrementar la viabilidad de las biorefinerias, y favorecer su adaptación al mercado, resulta de gran utilidad diseñar instalaciones que permitan generar de forma conjunta diversos biocombustibles.
• La viabilidad de instalaciones de este tipo sin embargo, se estima que estén por encima del consumo 950.000 t/año de biomasa, lo cual puede ser un reto para su desarrollo. Esta dificultad se puede solventar mediante el empleo conjunto de residuos biomásicos y cultivos energéticos cercanos a la instalación.

Publicaciones.

• Steam reforming of model tar compounds over nickel catalysts prepared from hydrotalcite precursors. Díez, A. Urueña, R. Gil, F. Corona, G. Antolín. 5^th International Conference on Sustainable Solid Waste Management. ATHENS 2017. 21–24 June 2017.

http://uest.ntua.gr/athens2017/proceedings/pdfs/Poster_Athens2017_Diez_Uruena_Gil_Corona.pdf

• Determination of cellulose, hemicellulose and lignin content of different biomass species by a unique kinetic model from TGA analysis. A. Urueña, D. Díez, G. Antolín, J.A. Conesa. 5^th International Conference on Sustainable Solid Waste Management. ATHENS 2017. 21–24 June 2017.

http://uest.ntua.gr/athens2017/proceedings/pdfs/Poster_Athens2017_Uruena_Diez_Conesa.pdf

• The pyrolytic behavior of evolved gases and tar from energy crops. D. Díez, A. Urueña, G. Antolín.
• Pyrolysis Kinetic of thistle D. Díez, A. Urueña, G. Antolín.

Referencias.

SEE. La energía en España 2014. 2014. Ministerio de industria, energía y turismo, Secretaria de Estado de Energía (SEE).

Agradecimientos.

El Proyecto “Estudio del proceso de obtención de metanol, hidrógeno y diésel Fischer-Tropsch, a partir de syngas procedente de cultivos energéticos”, con Ref. VA191U14: , ha sido financiado por la Consejería de Educación de la Junta de Castilla y León en la convocatoria de proyecto de investigación a iniciar en el año 2014.