Valorización de biomasas residuales mediante el proceso de pirólisis para producción de biochar y biocombustibles
- Autores: Natalia Gómez Marín
- Directores de la Tesis: Jorge Cara Jiménez (dir. tes.), Marta Elena Sánchez Morán (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de León ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Número de páginas: 242
- Títulos paralelos:
- Biomass valorisation through pyrolysis process for biochar and biofuels production
- Tribunal Calificador de la Tesis: Gabriel Gascó Guerrero (presid.), Olegario Martínez Morán (secret.), Joan J. Manyà Cervelló (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Producción y Computación por la Universidad de León
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
En una sociedad en el que el crecimiento de emisiones de CO2 a la atmósfera se ha duplicado en los últimos 50 años, cuyo origen está focalizado en las emisiones antropogénicas, el desarrollo y fomento de nuevas tecnologías implementadas a partir de las políticas ambientales, se considera una estrategia importante para promover el cambio del escenario actual y mitigar el cambio climático.
Bajo una visión medioambiental basada en los conceptos de economía circular, sostenibilidad y uso de los recursos naturales, potenciando una economía hipocarbónica, el presente trabajo contempla el empleo de la pirólisis como una tecnología medioambiental para la gestión de residuos biomásicos, obtención de biocombustibles y de biochar.
Así, el objeto de este estudio se ha sustentado en los efectos positivos que su implantación generaría, a través de la reducción de residuos y de emisiones de carbono, del desarrollo de nuevos productos y de la reducción de los costes asociados al uso de esta tecnología.
La pirólisis cuyo término indica su propia definición, piro (fuego) y lisis (fraccionamiento en partes), genera tres productos potenciales que presentan una mejora del ciclo de carbono y tienen una componente energética, aquellos denominados carbonizado o fracción sólida, aceites de pirólisis o fracción líquida y fracción gaseosa.
En el presente trabajo se estudia el tratamiento a través del proceso de pirólisis rápida en escala semi-piloto de residuos agrarios (paja de colza), caracterizados por su mayor dificultad de tratamiento, para estudiar el efecto que los cambios en las condiciones de producción pueden causar en la distribución de productos de las fracciones, especialmente en los denominados aceites de pirólisis.
También se contempla en esta escala de trabajo el tratamiento a través del proceso de pirólisis lenta de este mismo residuo y del residuo de sarmiento, para valorar las diferencias de los procesos de pirólisis rápida y lenta y evaluar como la fracción sólida se ve influenciada por los mismos cambios de condiciones. Además se estudia el efecto de la materia inorgánica asociada en la pirólisis de este tipo de biomasas, concluyendo su prioridad de gestión a través de pirólisis lenta en el estado actual, para producción de “biochar”.
Con objeto de valorar el efecto de fijación de carbono en la estructura del carbonizado, se evalúa éste a través de dos métodos indirectos de medición. Por un lado, su evaluación por resistencia estructural a la oxidación completa y por otro lado, a través de procesos de degradación química, que simulan el comportamiento que presentarían en el suelo tras su aplicación. De los resultados de esta fase, se contempla una nueva propuesta de referencia estructural basada en los cambios estructurales de los compuestos lignocelulósicos en lugar de la referencia actual, el grafito. Además, se relacionan ambos métodos de medición encontrándose una sinergia entre la estabilidad estructural y su resistencia a la degradación en suelos.
En un salto a la investigación aplicada, se procesan en un reactor a escala piloto de 15 a 20 Kg/h de capacidad máxima, una variedad de biomasas residuales de diferentes orígenes: poda de olivo, madera de pino, cáscara de almendra y hueso de aceituna. Se evalúa la factibilidad de procesamiento, la posibilidad de alcanzar procesos auto-térmicos energéticamente a partir de la valorización de los aceites de pirólisis y la fracción gaseosa, y de esta forma actuar no sólo sobre el producto, sino también sobre la mejora del proceso. Finalmente, también se contempla la evaluación de las características físico-químicas del carbonizado, estudiando el efecto de retención de carbono en función de la biomasa de partida y de las temperaturas de operación y se proponen alternativas de uso cuando no puede ser utilizado como enmendante en suelos.
- English
Anthropogenic CO2 emissions have been duplicated in the past 50 years. These emissions have their origin in the population size, the economic activity, the life style, the use of new technologies, and the energy use. The promotion and development of environmental policies are key tools to change the current scenery and mitigate the climate change.
Under the environmental vision of circular economy, sustainability and rational use of natural resources, this work presents the use of the pyrolysis process as an environmental technology to manage biomass residues, producing energy and biochar. The scope of this work is based on the positive effect that this technology generates when it is used for residues management, reducing CO2 emissions, creating new products and reducing cost derived from the use of this technology.
The term of “pyrolysis” coming from the Greek alphabet points their own meaning, “pyro” (fire) and “lysis” (breaking into several parts), giving three main products that improve the CO2 cycle and having fuel features. These fractions are biochar, bio-oil and pyrolysis gases.
Firstly, the treatment through fast pyrolysis is studied for bio-oil production taking into account the high difficulty in processing an agroresidual biomass (rape straw) in this process due to its inorganic matter. Thus, this study is focused on the changes in yields and bio-oil characteristics developed when the production conditions are modified.
Secondly, the rape straw as well as a vine shoot biomasses are processed under slow pyrolysis to evaluate yields and characteristics of the charred fraction when the production conditions are modified, being also studied the effect of its inorganic matter content. The purpose is to compare the differences between slow and fast pyrolysis and to identify the use as biochar of this charred fraction.
Thirdly, the measurement of the carbon fixed into the biochar structure is studied through indirect methods. The high recalcitrance index (R50) measures the structural strength named as “recalcitrance” and the accelerated ageing test measures the chemical degradation that it will show when it is applied to soils. When these methods are used for our samples some limitations were found, proposing some modifications in this work, especially in the R50 method. Afterwards, a correlation between both was found.
Finally, a variety of biomasses were processed in a pilot scale reactor with 15-20 kg/h of maximum capacity. These biomasses were olive tree pruning, pine wood, almond shells and olive pits. The feasibility of processing them was evaluated as well as the chance of getting auto-thermal pyrolysis processes with the energy contained in the pyrolysis gas and bio-oil. Moreover, the physical features of the biochars and their carbon retention capacity were assessed as function of the feedstock and the pyrolysis temperature. Alternative application as fuel is proposed for this charred fraction in case that its use as biochar may not be advisable.
- español
