El aceite de pirólisis , a veces también conocido como biocrudo o bioaceite , es un combustible sintético con aplicación industrial limitada y que se encuentra en investigación como sustituto del petróleo . Se obtiene calentando biomasa seca sin oxígeno en un reactor a una temperatura de aproximadamente 500 °C (900 °F) con posterior enfriamiento, separación de la fase acuosa y otros procesos. El aceite de pirólisis es una especie de alquitrán y normalmente contiene niveles de oxígeno demasiado altos para ser considerado un hidrocarburo puro . Este alto contenido de oxígeno produce no volatilidad, corrosividad, miscibilidad parcial con combustibles fósiles , inestabilidad térmica y tendencia a polimerizarse cuando se expone al aire. [1] Como tal, es claramente diferente de los productos derivados del petróleo. Quitar oxígeno del bioaceite o nitrógeno del bioaceite de algas se conoce como mejora. [2]
Existen pocas normas para el aceite de pirólisis debido a los limitados esfuerzos para producirlo. Uno de los pocos estándares es el de ASTM . [3]
La pirólisis es una técnica bien establecida para la descomposición de material orgánico a temperaturas elevadas en ausencia de oxígeno en aceite y otros constituyentes. En las aplicaciones de biocombustibles de segunda generación , se pueden utilizar como materia prima residuos forestales y agrícolas, residuos de madera, desechos de jardín y cultivos energéticos.
Cuando la madera se calienta por encima de los 270 °C (518 °F) comienza un proceso de descomposición llamado carbonización . En ausencia de oxígeno, el producto final es carbón vegetal . Si hay suficiente oxígeno, la madera se quemará cuando alcance una temperatura de aproximadamente 400 a 500 °C (752 a 932 °F), dejando cenizas de madera . Si la madera se calienta lejos del aire, primero se elimina la humedad y, hasta que esto se completa, la temperatura de la madera se mantiene entre 100 y 110 °C (212 y 230 °F). Cuando la madera está seca su temperatura aumenta, y alrededor de los 270 °C (518 °F) comienza a descomponerse espontáneamente y generar calor. Ésta es la conocida reacción exotérmica que tiene lugar al quemar carbón vegetal. En esta etapa comienza la evolución de los subproductos de la carbonización. Estas sustancias se desprenden gradualmente a medida que aumenta la temperatura y alrededor de 450 °C (842 °F) la evolución es completa.
El residuo sólido, el carbón vegetal, es principalmente carbono (alrededor del 70%), y el resto son sustancias similares al alquitrán que pueden eliminarse o descomponerse por completo sólo elevando la temperatura por encima de aproximadamente 600 °C para producir biocarbón , un producto con alto contenido de carbono. , residuo de grano fino que hoy se produce mediante modernos procesos de pirólisis , que consiste en la descomposición térmica directa de la biomasa en ausencia de oxígeno , lo que impide la combustión , para obtener una matriz de sólido (biocarbón), líquido—Aceite de pirólisis (bio-aceite). /aceite de pirólisis) y productos de gas (gas de síntesis ). El rendimiento específico de la pirólisis depende de las condiciones del proceso. como la temperatura, y se puede optimizar para producir energía o biocarbón. [4] Las temperaturas de 400 a 500 °C (752 a 932 °F) producen más carbón , mientras que las temperaturas superiores a 700 °C (1292 °F) favorecen el rendimiento de componentes del combustible líquidos y gaseosos. [5] La pirólisis ocurre más rápidamente a temperaturas más altas y generalmente requiere segundos en lugar de horas. La pirólisis a alta temperatura también se conoce como gasificación y produce principalmente gas de síntesis . [5] Los rendimientos típicos son 60% de bioaceite , 20% de biocarbón y 20% de gas de síntesis. En comparación, la pirólisis lenta puede producir sustancialmente más carbón (~50%). Para entradas típicas, la energía necesaria para hacer funcionar un pirolizador "rápido" es aproximadamente el 15% de la energía que produce. [6] Las plantas de pirólisis modernas pueden utilizar el gas de síntesis creado por el proceso de pirólisis y producir entre 3 y 9 veces la cantidad de energía necesaria para funcionar.
Las algas pueden estar sujetas a altas temperaturas (~500 °C) y presiones atmosféricas normales. Los productos resultantes incluyen aceite y nutrientes como nitrógeno, fósforo y potasio. [7]
Existen numerosos artículos sobre la pirólisis de biomasa lignocelulósica. Sin embargo, hay muy pocos informes disponibles sobre la producción de bioaceite de algas mediante pirólisis. Miao et al. (2004b) realizaron una pirólisis rápida de Chllorella protothecoides y Microcystis areuginosa a 500 °C, y se obtuvieron rendimientos de bioaceite del 18% y 24%, respectivamente. El bioaceite exhibió un mayor contenido de carbono y nitrógeno y un menor contenido de oxígeno que el bioaceite de madera. Cuando Chllorella protothecoides se cultivó heterótrofamente, el rendimiento de bioaceite aumentó al 57,9% con un poder calorífico de 41 MJ/kg (Miao et al., 2004a). Recientemente, cuando las microalgas se han convertido en un tema de investigación candente como tercera generación de biocombustibles, la pirólisis ha atraído más atención como un método de conversión potencial para la producción de biocombustibles de algas. Pan et al. (2010) investigaron la pirólisis lenta de Nannochloropsis sp. residuo con y sin presencia de catalizador HZSM-5 y bioaceite obtenido rico en hidrocarburos aromáticos procedente de pirólisis catalítica. Los líquidos pirolíticos de algas se separan en dos fases y la fase superior se llama bioaceite (Campanella et al., 2012; Jena et al., 2011a). Los valores caloríficos más altos (HHV) del bioaceite de algas están en el rango de 31 a 36 MJ/kg, generalmente más altos que los de las materias primas lignocelulósicas. El bioaceite pirolítico está formado por compuestos con pesos moleculares medios más bajos y contiene más compuestos de bajo punto de ebullición que el bioaceite producido por licuefacción hidrotermal. Estas propiedades son similares a las del petróleo de esquisto de Illinois (Jena et al., 2011a; Vardon et al., 2012), lo que puede indicar que el bioaceite pirolítico es adecuado para reemplazar el petróleo. Además, el alto contenido de proteínas en las microalgas condujo a un alto contenido de N en el bioaceite, lo que dio lugar a emisiones indeseables de NOx durante la combustión y a la desactivación de catalizadores ácidos cuando se coprocesan en las 10 refinerías de petróleo crudo existentes. El bioaceite de algas tenía mejores cualidades en muchos aspectos que los producidos a partir de biomasa lignocelulósica. Por ejemplo, el bioaceite de algas tiene un mayor poder calorífico, un menor contenido de oxígeno y un valor de pH superior a 7. Sin embargo, aún es necesario mejorar la eliminación de nitrógeno y oxígeno en el bioaceite antes de que pueda usarse como combustible directo. [8]
La licuefacción hidrotermal (HTL) es un proceso de despolimerización térmica utilizado para convertir biomasa húmeda en un petróleo [9] —a veces denominado biopetróleo o biocrudo—bajo una temperatura moderada y alta presión [10] de 350 °C (662 °F) y 3000 libras por pulgada cuadrada (21 000 kPa). El petróleo crudo (o bioaceite) tiene una alta densidad energética con un poder calorífico más bajo de 33,8-36,9 MJ/kg y 5-20% en peso de oxígeno y productos químicos renovables. [11] [12]
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 el HTL, pero la biomasa debe procesarse y secarse para aumentar el rendimiento. [13] La presencia de agua en la pirólisis aumenta drásticamente el calor de vaporización del material orgánico, aumentando la energía necesaria para descomponer la biomasa. Los procesos típicos de pirólisis requieren un contenido de agua inferior al 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 %. Según Algal HTL, las propiedades del bioaceite resultante se ven afectadas por la temperatura, el tiempo de reacción, las especies de algas, la concentración de algas, la atmósfera de reacción y los catalizadores, en condiciones de reacción de agua subcrítica.
El bioaceite generalmente requiere un tratamiento adicional significativo para que sea adecuado como materia prima de refinería para reemplazar el petróleo crudo derivado del petróleo , el aceite de hulla o el alquitrán de hulla .
El alquitrán es una mezcla negra de hidrocarburos y carbono libre obtenida de una amplia variedad de materiales orgánicos mediante destilación destructiva . [14] [15] [16] [17] El alquitrán se puede producir a partir de carbón , madera , petróleo o turba . [17]
La creosota de alquitrán de madera es un líquido grasoso de incoloro a amarillento con olor a humo, produce una llama de hollín cuando se quema y tiene sabor a quemado. No flota en el agua, con una gravedad específica de 1,037 a 1,087, conserva la fluidez a una temperatura muy baja y hierve a 205-225 °C. Cuando es transparente, está en su forma más pura. La disolución en agua requiere hasta 200 veces la cantidad de agua que la creosota base. La creosota es una combinación de fenoles naturales : principalmente guaiacol y creosol (4-metilguaiacol), que normalmente constituirán el 50% del aceite; en segundo lugar en prevalencia, cresol y xilenol ; siendo el resto una combinación de monofenoles y polifenoles .
La brea es un nombre para cualquiera de varios polímeros viscoelásticos . La brea puede ser natural o manufacturada, derivada del petróleo , del alquitrán de hulla [18] o de plantas.
El licor negro y el tall oil son un subproducto líquido viscoso de la fabricación de pulpa de madera.
El aceite de caucho es el producto del método de pirólisis para el reciclaje de neumáticos usados.
Los biocombustibles se sintetizan a partir de productos intermedios como el gas de síntesis utilizando métodos idénticos en procesos que involucran materias primas convencionales, biocombustibles de primera y segunda generación. La característica distintiva es la tecnología involucrada en la producción del producto intermedio, más que el consumo final.
Una biorrefinería es una instalación que integra procesos y equipos de conversión de biomasa para producir combustibles, energía, calor y productos químicos de valor agregado a partir de biomasa . El concepto de biorrefinería es análogo a la refinería de petróleo actual , que produce múltiples combustibles y productos a partir del petróleo . [19]
El bioaceite es una técnica reciente para el secuestro de carbono. Los tallos de maíz se convierten mediante pirólisis en bioaceite, que luego se bombea bajo tierra. [25]
Actualmente, el bioaceite tiene usos industriales limitados. Una aplicación reportada es la producción de óxido de zinc como fuente térmica. [26] En este uso, el combustible ha sustituido a los fuelóleos pesados como fuente biogénica de calor. [27] El bioaceite se utiliza en los quemadores del horno como sustituto directo con poco o ningún cambio en los resultados operativos. El combustible tiene un mayor contenido de agua y oxígeno, lo que genera un mayor flujo volumétrico para la misma capacidad calorífica.
{{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )Según los investigadores, el proceso es muy sencillo de realizar. Astillas de madera: Adams y sus colegas utilizaron pino y las sometieron a pirólisis o calentamiento en ausencia de oxígeno para provocar la descomposición, lo que genera madera: carbón y gas. El gas se condensa rápidamente para producir un líquido clasificado como bioaceite. "No se puede utilizar biopetróleo como combustible crudo porque tiene demasiado oxígeno y agua, es soluble en agua. Por eso no se ha utilizado en motores", dijo Adams. Para poder ser utilizado en motores diésel, el bioaceite debe disolverse en biodiésel, un combustible diésel alternativo que se produce a partir de grasas animales o aceites vegetales. Sin embargo, un alto contenido de agua y oxígeno impide que esto suceda. Después de que el equipo de Adams realizó tratamientos químicos, se eliminó la mayor parte del agua y el bioaceite se mezcló con biodiésel y se probó en motores diésel convencionales.