Tratamiento de residuos de biomasa mediante oxidación y gasificación en agua supercrítica
- Autores: Pau Casademont Lanzat
- Directores de la Tesis: J. R. Portela Miguélez (dir. tes.), Jezabel Sánchez Oneto (codir. tes.), Enrique Martínez de la Ossa (tut. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cádiz ( España ) en 2018
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Enrique Nebot Sanz (presid.), Violeta Vadillo Márquez (secret.), Mauricio Ariel Rostagno (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Fabricación, Materiales e Ingeniería Ambiental por la Universidad de Cádiz
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
- español
El desarrollo de las tecnologías y prácticas industriales cada vez más productivas, supone un aumento en el volumen de residuos industriales. La gestión de estos residuos industriales y de las aguas residuales, de una manera económica y ambientalmente aceptable, es uno de los problemas más críticos a los que se enfrenta la industria moderna, principalmente debido al aumento de la concienciación ambiental sobre el destino de estos contaminantes y las estrictas legislaciones que dificultan el cumplimiento de los requisitos ambientales. Por lo tanto, resulta necesario desarrollar sistemas innovadores que maximicen la recuperación de los materiales útiles, y/o sistemas de producción energética de los residuos de una manera sostenible.
Dentro de estas nuevas tecnologías, los procesos hidrotérmicos como la Oxidación en Agua Supercrítica (OASC) y la Gasificación en Agua Supercrítica (GASC), han despertado un gran interés por sus grandes ventajas frente a los procesos de tratamiento convencionales, por la elevada eficacia de eliminación de residuos industriales de alta carga orgánica y la posible valorización de estos residuos.
La GASC se presenta como una posible vía de aprovechamiento energético de residuos mediante la conversión de los mismos en un gas combustible rico en hidrógeno e hidrocarburos ligeros. En el presente trabajo, se ha estudiado el efecto de la velocidad de calentamiento en la GASC de un compuesto modelo (celulosa) sobre la formación de los compuestos intermedios y productos finales de la reacción, para llegar a una mejor comprensión sobre las complejas reacciones que ocurren durante este proceso. Para ello, se analizan los efluentes líquidos y gaseosos producidos a diferentes temperaturas: 200, 250, 300, 350, 471 y 525 ºC. Además, se estudia la GASC de los pañales en un reactor discontinuo a 525 ºC y 240 bar.
En el caso de los residuos de la industria de aceite de oliva, se han tratado con agua subcrítica y supercrítica para producir principalmente un combustible gaseoso por gasificación. Para ello, se usaron diferentes reactores discontinuos a temperaturas entre 200 y 530 ºC y presiones entre 150 y 250 bar. Este trabajo también estudia el efecto de varios tipos de catalizadores homogéneos (KOH, NaOH, Na2CO3, K2CO3) y heterogéneos (TiO2, V2O5 y Au-Pd) en la GASC. Además, con diferentes concentraciones de residuo (23, 35 y 80 g O2/l de concentración de demanda química de oxígeno (DQO)) y de la mezcla de alperujo y alpechín, se estudia el efecto que tienen en el proceso de conversión de biomasa (eliminación de DQO) y rendimiento de gases (producción de H2, CH4, CO2 y CO).
Durante el transcurso de la tesis doctoral, se realizó una estancia de investigación en la Universidade Estadual de Maringá, Brasil. Gracias a esta estancia, se realizaron estudios en un sistema que opera en régimen continuo, y a temperaturas hasta 175 ºC mayores de las que permiten los equipos de nuestro grupo de investigación. De este modo, se estudió la GASC tanto con residuo de la industria de aceite de oliva como con residuo de la industria de fabricación de papel a temperaturas y presión entre 500-700 ºC y 230 bar respectivamente. Además, para el residuo de la industria de fabricación de papel se estudió el efecto de la adición de NaOH como catalizador en el proceso GASC.
Por otro lado, la OASC es una tecnología innovadora que se emplea para la eliminación de diferentes residuos de forma exitosa. Sin embargo, su implantación industrial es escasa, sólo existen varias compañías que comercializan esta tecnología, siendo necesarias más investigaciones en diferentes direcciones para solventar los problemas derivados de la operación en condiciones de elevada presión y temperatura. Por este motivo, en la presente tesis doctoral, se ha estudiado la hibridación de los procesos OASC-GASC en una planta de demostración, como posibilidad para mejorar ambos procesos y convertir algunos problemas (o desventajas) de estos procesos en soluciones (o ventajas). Para este estudio pionero, se utilizan compuestos modelo; etanol como alimentación del proceso OASC e isopropanol como alimentación del proceso GASC; alcanzando temperaturas de operación alrededor de 550 ºC. Este método ha sido patentado, y para ello, fue necesario hacer una revisión bibliográfica del estado del arte, la cual se ha publicando como review.
- English
The development of highly productive industrial technologies brings about an increment of industrial waste. The management of industrial wastes and wastewaters in an economically and environmentally acceptable manner, is one of the most critical issues that modern industry is facing at present. Therefore, the development of innovative technologies to maximize the recovery of useful materials and/or energy from general waste and wastewaters in a sustainable way has become imperative.
Within those new technologies to be developed, hydrothermal processes such as Supercritical Water Oxidation (SCWO) and Supercritical Water Gasification (SCWG) have stirred up great interest because of their huge advantages when compared to conventional treatment processes. This is due to their high efficiency levels to eliminate highly loaded industrial organic waste and the possibility to put these into value.
SCWG appears as an option to use waste as a resource and turn it into a fuel gas that is rich in hydrogen and light hydrocarbons. In order to reach a better understanding of the complex reactions that occur during SCWG processes, the present work studies how different heating rates affect the generation of intermediate compounds and final products in a SCWG process of a model compound (cellulose). For this purpose, liquid and gaseous effluents produced at different temperatures (200, 250, 300, 350, 471 ºC) were analyzed until the operating conditions (525 ºC and 250 bar) were reached. The final effluents were also analyzed. In addition, the SCWG of the diapers was studied in a discontinuous reactor at 525 ºC and 240 bar.
Olive mill waste has been treated with subcritical and supercritical water to produce mainly gaseous fuel by gasification. To achieve this goal, different batch reactors at temperatures between 200 and 530 ºC and pressure levels between 150 and 250 bar were used. This work has also studied the effect of different types of homogeneous (KOH, NaOH, Na2CO3, K2CO3) and heterogeneous catalysts (TiO2, V2O5 and Au-Pd) in SCWG processes. How the use of different waste concentrations (23, 35 and 80 g O2/l of chemical oxygen demand (COD)), and the mixture of solid and liquid waste from the olive oil industry, affects the process of biomass conversion (elimination of COD) and gas yield (production of H2, CH4, CO2 and CO) was also studied.
During the course of the Doctoral Thesis, a research stay was held at the State University of Maringá, Brazil. Thanks to such stay, several studies were carried out in a system that operates in a continuous regime, and at temperatures 175 ºC higher than those studied by our research group. Consequently, SCWG using both olive mill waste and paper mill sludge at temperatures and pressures between 500-700 ºC and 230 bar, respectively, were studied. With regards to paper mill sludge, the effect of adding NaOH as a catalyst to the SCWG process was also studied.
On the other hand, SCWO is an innovative technology used to successfully eliminate different waste types. Nevertheless, its industrial implementation is scarce and only a short number of companies commercialize this technology. Further research works are required to solve the problems derived from the high pressure and temperature operating conditions. For this reason, in the present work, the combination of SCWO-SCWG processes in a demonstration plant has been studied as a method to improve both processes and to turn some problems (or disadvantages) into solutions (or advantages). For this pioneering study, two model compounds were used, ethanol as the feed for the SCWO process and isopropanol as the feed for the SCWG process, achieving temperatures around 550 ºC for the combined process. This method has been patented, and for this reason a detailed bibliographic study was carried out for all previous patents related to GASC technology, being published as a review paper.
- español
