El aceite de pirólisis , también conocido como biocrudo o biooil , es un combustible sintético con pocas aplicaciones industriales 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 enfriamiento posterior, separación de la fase acuosa y otros procesos. El aceite de pirólisis es un tipo de alquitrán y normalmente contiene niveles de oxígeno demasiado altos para ser considerado un hidrocarburo puro . Este alto contenido de oxígeno da como resultado no volatilidad, corrosividad, miscibilidad parcial con combustibles fósiles , inestabilidad térmica y una tendencia a polimerizar cuando se expone al aire. [1] Como tal, es claramente diferente de los productos derivados del petróleo. La eliminación del oxígeno del biooil o el nitrógeno del biooil de algas se conoce como mejora. [2]
Existen pocas normas para el aceite de pirólisis debido a los pocos esfuerzos que se han hecho para producirlo. Una de ellas es la 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 componentes. En aplicaciones de biocombustibles de segunda generación , se pueden utilizar como materia prima residuos forestales y agrícolas, desechos 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 presente, la madera se quemará cuando alcance una temperatura de aproximadamente 400-500 °C (752-932 °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 permanece en aproximadamente 100-110 °C (212-230 °F). Cuando la madera está seca, su temperatura aumenta y, aproximadamente a los 270 °C (518 °F), comienza a descomponerse espontáneamente y a generar calor. Esta es la conocida reacción exotérmica que tiene lugar en la quema de carbón vegetal. En esta etapa comienza la evolución de los subproductos de carbonización. Estas sustancias se desprenden gradualmente a medida que aumenta la temperatura y, aproximadamente a los 450 °C (842 °F), la evolución se 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 completamente solo elevando la temperatura por encima de aproximadamente 600 °C para producir biocarbón , un residuo de grano fino con alto contenido de carbono que hoy en día se produce a través de procesos de pirólisis modernos, que es la descomposición térmica directa de la biomasa en ausencia de oxígeno , lo que evita la combustión , para obtener una variedad de productos sólidos (biocarbón), líquidos (aceite de pirólisis (bio-oil/pirolisis-oil) y gas ( syngas ). 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 de combustible líquidos y gaseosos. [5] La pirólisis ocurre más rápidamente a temperaturas más altas, y normalmente 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 bio-oil , 20% de biocarbón y 20% de gas de síntesis. En comparación, la pirólisis lenta puede producir sustancialmente más carbón (~50%). Para los insumos típicos, la energía requerida para operar un pirolizador "rápido" es aproximadamente el 15% de la energía que produce. [6] Las plantas de pirólisis modernas pueden usar el gas de síntesis creado por el proceso de pirólisis y producir de 3 a 9 veces la cantidad de energía requerida para funcionar.
Las algas pueden estar expuestas 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 Chlorella protothecoides y Microcystis areuginosa a 500 °C, y se obtuvieron rendimientos de bioaceite de 18% y 24%, respectivamente. El bioaceite exhibió un mayor contenido de carbono y nitrógeno, menor contenido de oxígeno que el bioaceite de madera. Cuando Chlorella protothecoides se cultivó heterotróficamente, el rendimiento de bioaceite aumentó a 57,9% con un poder calorífico de 41 MJ/kg (Miao et al., 2004a). Recientemente, cuando las microalgas se convirtieron en un tema de investigación candente como la 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 residuos de Nannochloropsis sp. con y sin la presencia del catalizador HZSM-5 y obtuvieron bio-oil rico en hidrocarburos aromáticos a partir de la pirólisis catalítica. Los líquidos pirolíticos de algas se separan en dos fases y la fase superior se denomina bio-oil (Campanella et al., 2012; Jena et al., 2011a). Los valores de calentamiento más altos (HHV) del bio-oil de algas están en el rango de 31−36 MJ/kg, generalmente más altos que los de las materias primas lignocelulósicas. El bio-oil pirolítico consiste en compuestos con pesos moleculares medios más bajos y contiene más compuestos de bajo punto de ebullición que el bio-oil 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 bio-oil pirolítico es adecuado para reemplazar al petróleo. Además, el alto contenido de proteínas en las microalgas condujo a un alto contenido de N en el bio-oil, lo que resultó en emisiones indeseables de NOx durante la combustión y la desactivación de catalizadores ácidos cuando se coprocesa en 10 refinerías de petróleo crudo existentes. El bio-oil de algas tenía mejores cualidades en muchos aspectos que los producidos a partir de biomasa lignocelulósica. Por ejemplo, el bio-oil 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 mejorarlo para eliminar el nitrógeno y el oxígeno en el bio-oil antes de que pueda usarse como combustible de reemplazo. [8]
La licuefacción hidrotermal (HTL) es un proceso de despolimerización térmica que se utiliza para convertir biomasa húmeda en un aceite [9] —a veces denominado bio-oil o biocrudo— a una temperatura moderada y una presión alta [10] de 350 °C (662 °F) y 3000 libras por pulgada cuadrada (21 000 kPa). El petróleo crudo (o bio-oil) tiene una alta densidad energética con un valor calorífico inferior de 33,8-36,9 MJ/kg y entre un 5 y un 20 % en peso de oxígeno y sustancias químicas renovables. [11] [12]
El proceso HTL se diferencia de la pirólisis en que puede procesar biomasa húmeda y producir un bio-oil 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, lo que aumenta la energía necesaria para descomponer la biomasa. Los procesos de pirólisis típicos requieren un contenido de agua de menos del 40% para convertir adecuadamente la biomasa en bio-oil. Esto requiere un pretratamiento considerable de la biomasa húmeda, como las hierbas tropicales, que contienen un contenido de agua de hasta el 80-85%, e incluso un tratamiento adicional para las especies acuáticas, que pueden contener más del 90% de contenido de agua. Las propiedades del bio-oil 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 biooil generalmente requiere un tratamiento adicional significativo para que sea adecuado como materia prima de refinería para reemplazar el petróleo crudo derivado del petróleo , el carbón o el alquitrán de hulla .
El alquitrán es una mezcla negra de hidrocarburos y carbono libre que se obtiene a partir de una amplia variedad de materiales orgánicos mediante destilación destructiva . [14] [15] [16] El alquitrán se puede producir a partir de carbón , madera , petróleo o turba . [16]
La creosota de alquitrán de madera es un líquido grasiento incoloro a amarillento con un olor ahumado, produce una llama de hollín cuando se quema y tiene un 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 guayacol y creosol (4-metilguayacol), que normalmente constituirán el 50% del aceite; en segundo lugar, el cresol y el xilenol ; el resto es una combinación de monofenoles y polifenoles .
El término brea se refiere a cualquiera de los diversos polímeros viscoelásticos . La brea puede ser natural o fabricada, derivada del petróleo , del alquitrán de hulla [17] o de plantas.
El licor negro y el aceite de resina son subproductos líquidos viscosos de la fabricación de pulpa de madera.
El aceite de caucho es el producto del método de pirólisis para reciclar 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 utilizada en la producción del producto intermedio, más que el producto 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 al de la refinería de petróleo actual , que produce múltiples combustibles y productos a partir del petróleo . [18]
El biooil es una técnica de reciente aparición para el secuestro de carbono. Los tallos de maíz se convierten mediante pirólisis en biooil, que luego se bombea bajo tierra. [24]
En la actualidad, el biooil tiene pocos usos industriales. Una aplicación reportada es en la producción de óxido de zinc como fuente térmica. [25] En este uso, el combustible ha sustituido a los fuelóleos pesados como fuente biogénica de calor. [26] El biooil se utiliza en los quemadores de hornos como sustituto directo con poco o ningún cambio en los resultados operativos. El combustible tiene un mayor contenido de agua y oxígeno, lo que produce un mayor flujo volumétrico para la misma capacidad térmica.
{{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )Según los investigadores, el proceso es muy fácil de llevar a cabo. Las astillas de madera (Adams y sus colegas utilizaron pino) se someten a pirólisis, o calentamiento en ausencia de oxígeno para provocar la descomposición, lo que genera carbón vegetal y gas. El gas se condensa rápidamente para producir un líquido categorizado como bio-oil. "No se puede utilizar el bio-oil como combustible crudo porque tiene demasiado oxígeno y agua, es soluble en agua. Es por eso que no se ha utilizado en motores", dijo Adams. Para poder utilizarse en motores diésel, el bio-oil debe disolverse en bio-diesel, un combustible diésel alternativo que se produce a partir de grasas animales o aceites vegetales. El alto contenido de agua y oxígeno impide que esto suceda. Después de que el equipo de Adams realizó los tratamientos químicos, se eliminó la mayor parte del agua y el bioaceite se mezcló con biodiésel y se probó en motores diésel convencionales.