Tratamientos termoquímicos para valorización energética de residuos biomásicos: viabilidad técnica y comparativa económica
- Autores: Judith González Arias
- Directores de la Tesis: Jorge Cara Jiménez (dir. tes.), Marta Elena Sánchez Morán (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de León ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Número de páginas: 259
- Títulos paralelos:
- Thermochemical treatments for energy valorization of biomass wastes: technical feasibility and economic comparison
- Tribunal Calificador de la Tesis: Olegario Martínez Morán (presid.), Juan Daniel Sebastiá Sáez (secret.), Mónica Rodríguez Galán (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Producción y Computación por la Universidad de León
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: BULERIA
- Resumen
- español
La apuesta de la Unión Europea a través del programa Horizonte Europa agrupa los desafíos de la sociedad actual para implantar un modelo de economía circular. Este programa incluye un apartado centrado en el uso de residuos de biomasa para producir nuevos biocombustibles, productos químicos y diferentes materiales de origen renovable.
Partiendo de esta premisa, en este trabajo se plantea la valorización energética de dos residuos biomásicos (poda de olivo y compost que no cumple especificaciones para su venta). Para ello se ha seleccionado la carbonización hidrotermal como tratamiento a evaluar y se ha realizado una comparativa con otros tratamientos térmicos ampliamente estudiados como son la pirólisis y la torrefacción.
En primer lugar, se lleva a cabo la optimización de los parámetros de reacción (temperatura y tiempo) en la carbonización hidrotermal de poda de olivo. Para ello, se seleccionan nueve condiciones de reacción diferentes (220, 250 y 280 °C como temperaturas de reacción y 3, 6 y 9 horas como tiempos de reacción). Los resultados permiten afirmar que para la obtención de un hidrochar con propiedades combustibles aptas para su uso como biocombustible no es necesario tratar la biomasa a una temperatura superior a 250 °C, ni aplicar un tiempo de reacción mayor a 3 horas, ya que el consumo energético necesario para ello no se compensa con la mejora de las propiedades del sólido.
Una vez que se comprueba que con una biomasa lignocelulósica como la poda de olivo se puede obtener un carbonizado útil como biocombustible a unas condiciones de operación optimizadas, se plantea el mismo procedimiento para un residuo orgánico de difícil gestión como es el compost fuera de especificaciones. Debido a su composición, este producto por sí solo no presenta una buena conversión, por lo que se va a mezclar con diferentes proporciones de poda de olivo para gestionarlos de manera conjunta. De todas las mezclas evaluadas, el hidrochar con un 25% de compost y un 75% de poda de olivo es el que presenta los mejores resultados en cuanto a conversión y propiedades fisicoquímicas. De este modo se puede reducir la cantidad de este compost que actualmente no tiene ninguna utilidad, valorizándolo energéticamente.
Visto que la carbonización hidrotermal resulta adecuada para convertir estos residuos en biocombustibles sólidos, se plantea la comparativa con otros tratamientos térmicos en seco para ver las diferencias entre ellos en términos de producto generado y consumo energético necesario para ello. Para una biomasa con un contenido en humedad moderado, como es la poda de olivo, el tratamiento de torrefacción resulta ser el más adecuado en términos de consumo energético y rendimiento másico. Sin embargo, mediante la pirólisis se consigue una mayor carbonización del producto, pero con un rendimiento menor y un consumo energético muy superior al anterior. Para la carbonización hidrotermal se aprecian variaciones mucho más significativas con la severidad del proceso.
Como último punto se plantea realizar un estudio preliminar a nivel económico para comparar todas las alternativas de tratamiento. Este análisis realizado con los datos extrapolados recogidos a escala laboratorio concluye que, si solo consideramos la producción de carbonizado, sin darle valor añadido a las otras fracciones generadas (líquida y gaseosa), ninguna de las alternativas resulta rentable, con valores actuales netos entre -35 y -45 M€.
Este hecho demuestra el gran desafío que plantea la evolución hacia una economía circular más sostenible. De entre todas, la carbonización hidrotermal de compost y poda de olivo resulta ser la más rentable a nivel económico.
Todas las conclusiones obtenidas a lo largo de los capítulos expuestos en esta tesis permiten abrir nuevas vías de investigación para conseguir obtener muchas corrientes valiosas a partir de residuos, fomentando de este modo el concepto de economía circular tan necesario en la sociedad actual.
- English
The European Union's commitment through the Horizon Europe program brings together the challenges of today's society to implement a circular economy model. This program includes a section focused on the use of biomass residues to produce new biofuels, chemical products and different renewable materials.
Under this premise, in this work the energetic recovery of two biomass residues (olive tree pruning and compost that does not meet specifications for sale) was proposed. Hydrothermal carbonization was selected as the treatment to evaluate. Moreover, a comparison with other thermal treatments widely studied such as pyrolysis and torrefaction was carried out.
First, the optimization of the reaction parameters (temperature and time) for the hydrothermal carbonization of olive tree pruning was experimentally carried out. For that, nine reaction conditions were evaluated (220, 250 and 280 °C were selected as reaction temperatures and 3, 6 and 9 hours as reaction times). The results allow to affirm that it is possible to obtain a suitable hydrochar for being used as solid biofuel. Besides, to obtain this hydrochar it is not necessary to treat the biomass at reaction temperatures higher than 250 °C, nor to apply a reaction time greater than 3 hours, since the energy consumption necessary to reach these parameters is not compensated by the improvement of the properties of the solid product.
Once it is experimentally verified that a lignocellulosic biomass such as olive tree pruning is suitable for obtaining a product useful for being used as solid biofuel, the same procedure is proposed for an organic waste with a difficult management (off-specification compost). Due to its composition, this product by itself does not present a good conversion, so it is blended with olive tree pruning at different proportions to manage both residues together. The hydrochar of the blend of 25% compost with 75% olive pruning presents the best results in terms of conversion and physicochemical properties. In this way, the amount of this compost, which has no other use currently, can be reduced.
A comparison between dry and wet thermal treatments (i.e., hydrothermal carbonization, pyrolysis and torrefaction) was also proposed. The objective was to compare the obtained products in terms of characteristics of the obtained product and the energy consumption of every process.
For a lignocellulosic biomass with a moderate moisture content, such as olive pruning, torrefaction turned out to be the most appropriate thermal treatment in terms of energy consumption and mass yield obtained. However, the pyrolysis treatment showed a higher carbonization degree of the product, but with a lower mass yield and a much higher energy consumption than the previous one. For hydrothermal carbonization, much more significant variations were observed depending on the severity of the process.
As a last point, carrying out a preliminary techno-economic study to compare all the treatment alternatives was proposed. This analysis, performed with the extrapolated data collected at a laboratory scale, concluded that, if we only consider the production of the solid char, without adding value to the other generated fractions (liquid and gaseous), none of the alternatives is currently profitable, with net present values (NPV) between -35 and -45 M€. This fact demonstrates the great challenge posed by the evolution towards a more sustainable circular economy. Among all, the hydrothermal carbonization of compost and olive tree pruning turned out to be the most profitable treatment at an economic level.
All the conclusions obtained throughout the chapters exposed in this thesis allow opening new research routes to obtain many valuable streams from waste. The results also reveal the present and future challenges that need to be faced to promote the concept of circular economy so necessary in our society nowadays.
- español
