Biomass to Liquid (1ª Parte)

Si se vuelve la vista a la primera entrada de este blog, en su parte final, se resaltaba la simplificación del concepto de biorrefinería a través de tres plataformas que fraccionan la biomasa en los productos finales. En esta entrada y en las dos siguientes, voy a centrarme en el análisis de la plataforma termoquímica, y dentro de ella, específicamente, en la tecnología indirecta, también conocida como "Biomass to Liquid" (BtL).

El principal objetivo de las rutas termoquímicas es producir componentes de combustibles similares a la gasolina y al diesel de procedencia fósil que puedan ser empleados en sistemas de distribución y en motores convencionales. Las rutas indirectas implican la gasificación de la biomasa y una posterior transformación del producto obtenido en combustibles líquidos a través de procesos de conversión catalítica. Las rutas directas se basan en procesos de conversión como la pirólisis, la licuefacción o la solvólisis.^1,2 En la Figura 1, se presenta un detalle de una imagen extraída del libro "Biofuel's Engineering Process Technology" en la que he destacado la ruta directa que se va a estudiar. En la primera parte de esta serie de entradas, el enfoque estará puesto en el proceso de gasificación, La segunda estará dedicada al "syngas" y a las tecnologías de síntesis de combustibles líquidos. Para terminar, en la tercera parte, revisaré los principales proyectos de demostración de estas tecnologías.

Figura 1. Rutas de la plataforma termoquímica ²

Gasificación^3,4,5

Se denomina gasificación de biomasa a un conjunto de reacciones termoquímicas, que se producen en un ambiente pobre en oxígeno, y que da como resultado la transformación de las materias primas biomásicas (materiales lignocelulósicos y lejías negras procedentes de la industria papelera) en un producto gaseoso formado por diferentes proporciones de los siguientes gases: CO, H₂, CO₂, CH₄ y N₂. En otras palabras, se trata de un proceso de oxidación parcial a elevadas temperaturas (entre 800 y 1500 ºC) en el cual la biomasa reacciona con cantidades limitadas de comburente (entre el 10 y 50% del necesario para la combustión) y se transforma en hidrocarburos más ligeros, incluso en monóxido de carbono e hidrógeno. Con el objetivo de que la biomasa sea apta para las operaciones de gasificación es necesaria la realización de procesos de pretratamiento ("upstream processing"). Entre dichos procesos, suelen estar incluidos los siguientes: reducción del tamaño de partícula, secado hasta lograr el contenido de humedad adecuado y densificación. Asimismo, el gas obtenido necesita ser procesado para una efectiva utilización posterior ("downstream processing"). Esta mezcla de gases llamada gas de síntesis o "syngas", tiene un poder calorífico inferior equivalente a la sexta parte del poder calorífico inferior del gas natural, cuando se emplea aire como agente gasificante. El postprocesado incluye operaciones como la limpieza de partículas y alquitranes o la eliminación de compuestos nitrogenados y azufrados.

Tipos de gasificadores ⁶

Hay varios tipos genéricos de gasificadores en fase de demostración o ya desarrollados para la conversión de materias primas biomásicas. Conviene destacar que muchos de ellos han sido desarrollados y comercializados para la producción de calor y electricidad a partir del gas de síntesis antes que para su aplicación en la generación de combustibles líquidos. A continuación, se presentan los principales tipos (las imágenes han sido extraídas de "Review of technology for the gasification of biomass and wastes").

• "Updraft fixed bed" / Lecho fijo de corriente de aire ascendente (Figura 2A):
  La biomasa se alimenta por la parte superior del gasificador. El aire, el oxígeno o el vapor, se introducen por la parte inferior. Por ello, la biomasa y los gases se mueven en sentido contrario. El metano y los gases ricos en alquitranes salen por la parte superior mientras que las cenizas caen desde la rejilla a la parte inferior.
• "Downdraft fixed bed" / Lecho fijo de corriente descendente (Figura 2B):
  La biomasa se alimenta por la parte superior del gasificador. El aire, el oxígeno o el vapor, se introducen también por la parte superior o desde los lados. Por ello, la biomasa y los gases se mueven en el mismo sentido. Parte de la biomasa se quema cayendo a través de la garganta del gasificador para formar un lecho de carbón caliente que los gases tienen que atravesar. Este hecho asegura una alta calidad del gas de síntesis.
• "Entrained flow" / Flujo de arrastre (Figura 2C):
  La biomasa en forma de polvo se alimenta en un gasificador presurizado con oxígeno y/o vapor. Una llama turbulenta en la parte superior quema parte de la biomasa proporcionando grandes cantidades de calor que provocan una rápida conversión de la biomasa en gas de síntesis de gran calidad. Las cenizas se funden en las paredes y se descargan en la escoria fundida.
• "Bubbling Fluidized Bed (BFB)" / Lecho fluidizado burbujeante (Figura 2D):
  Un lecho de material inerte muy fino se coloca en la parte inferior del gasificador. Con aire, oxígeno o vapor, se sopla el lecho a la velocidad adecuada para agitar y suspender el material. La biomasa se alimenta por los lados, se mezcla y combustiona o forma gas de síntesis que sale por la parte superior. Opera a temperaturas por debajo de los 900 ºC para evitar la fusión y apelmazamiento de las cenizas.
• "Circulating Fluidized Bed (CFB)" / Lecho fluidizado circulante (Figura 2E):
  El fundamento es similar al de lecho burbujeante pero, en este caso, la velocidad es un poco más elevada y se produce el arrastre de parte del lecho junto con el gas de síntesis que sale por la parte superior. La mezcla de "syngas" y partículas se separa en un ciclón, y estas últimas retornan a la parte inferior.
• "Dual Fluidized Bed (CFB)" / Lecho fluidizado dual (Figura 2F):
  El sistema presenta dos cámaras: una de gasificación y otra de combustión. La biomasa se alimenta en la cámara de gasificación y se transforma en gas de síntesis libre de nitrógeno y carbón usando vapor. El carbón se quema en presencia de aire en la cámara de combustión, calentando las partículas del lecho que lo acompañan. Este material caliente se alimenta a la cámara de gasificación proporcionando calor de reacción de manera indirecta.
• Plasma (Figura 2G):
  Biomasa no tratada previamente se alimenta al gasificador para que se ponga en contacto con plasma generado eléctricamente, normalmente a presión atmosférica y temperaturas entre 1.500 y 5.000 ºC. La materia orgánica se convierte en gas de síntesis de alta calidad mientras que la inorgánica es vitrificada en una escoria inerte.

Figura 2. Tipos de gasificadores⁶

Tipos de agentes gasificantes y gases obtenidos^3,7

El rendimiento del proceso de gasificación varía dependiendo de la tecnología, el combustible y el agente gasificante que se utilice, en el rango de 70-80%. El resto de energía introducida en el combustible se invierte en las reacciones endotérmicas, en las pérdidas de calor de los reactores, en el enfriamiento del "syngas", necesario para su secado, filtración y lavado (cuando es necesario eliminar los alquitranes). El comburente empleado puede ser aire, oxígeno, vapor de agua y/o oxígeno, e hidrógeno. Si en el proceso se emplea aire como oxidante, se genera una mezcla de gases con una mayor proporción de N₂, denominado gas pobre o gas de gasógeno. La razón de este nombre viene dada por su poder calorífico que es bajo (entre 2,5 y 8 MJ/Nm³) y, generalmente, se utiliza para la producción de calor mediante combustión. Si la gasificación se realiza con oxígeno, el gas producido contiene CO e H₂ como combustibles principales, mezclados con CO₂, lo cual origina el ya mencionado gas de síntesis, con poder calorífico medio, entre 10 y 20 MJ/Nm³. Otro tipo de proceso de gasificación es la hidrogasificación, en la cual la biomasa seca se hace reaccionar con H₂, generando como producto un gas con alto contenido en metano, pequeñas cantidades de etano y otros gases. Tras retirar el CO₂, el gas resultante presenta un poder calorífico superior al del gas natural. En la Tabla 1, se recogen las características de los gases resultantes de diferentes conceptos de gasificación.

Tabla 1. Principales componentes y propiedades del gas obtenido a partir de biomasa mediente diferentes conceptos de gasificación Extraída de "Status and Perspectives of Biomass-to-Liquid Fuels in the European Union"
	A-CFBair	A-CFBO2	P(N2)- CFB-O2	P(CO2)- CFB-O2	A-indirect- H2O	P-EFGO2
CO, vol.% dry	19.3	26.9	16.1	16.1	42.5	46.1
H2, vol.% dry	15.6	33.1	18.3	18.3	23.1	26.6
CO2, vol.% dry	15.0	29.9	35.4	46.9	12.3	26.9
CH4, vol.% dry	4.2	7.0	13.5	13.5	16.6	0.00
N2/Ar, vol.% dry	44.5	0.7	12.3	0.8	0.0	0.4
C2, vol.% dry	1.4	2.4	4.4	4.4	5.5	0.0
NCV, (MJ/m3)	5.76	8.85	8.44	8.05	13.64	7.43
H2/CO ratio	0.81	1.23	1.14	1.14	0.54	0.58
A-CFB-air: atmospheric air-blown direct circulating fluidised bed gasifier. A-CFB-O2: atmospheric oxygen-blown direct circulating fluidised bed gasifier. P(N2)-CFB-O2: pressurised with nitrogen oxygen-blown direct circulating fluidised bed gasifier. P(CO2)-CFB-O2: pressurised with carbon dioxide oxygen-blown direct circulating fluidised bed gasifier. A-indirect-H2O: atmospheric steam-blown indirect gasifier. P-EFG-O2: pressurised oxygen-blown direct entrained flow gasifier.

En la próxima entrada, se volverá a insistir en las características del gas de síntesis desde el punto de vista de su aprovechamiento para generar biocombustibles de segunda generación.

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REFERENCIAS

1 www.biofuelstp.eu/btl.html.

2 Shuangning Xiu, Bo Zhang and Abolghasem Shahbazi (2011). Biorefinery Processes for Biomass Conversion to Liquid Fuel, Biofuel's Engineering Process Technology, Dr. Marco Aurelio Dos Santos Bernardes (Ed.), ISBN: 978-953-307-480-1, InTech, DOI: 10.5772/16417. Available from: www.intechopen.com/books/biofuel-s-engineering-process-technology/biorefinery-processes-for-biomass-conversion-to-liquid-fuel.

3 "Biorrefinerías. Situación Actual y Perspectivas de Futuro." GENOMA ESPAÑA/CIEMAT.

4 IDAE: "Biomasa: gasificación". 2007.

5 A. Kumar, D.D. Jones, M.A. Hanna: "Thermochemical Biomass Gasification: A Review of the Current Status of the Technology". Energies 2009, 2, 556-581; doi:10.3390/en20300556.

6 "Review of Technologies for Gasification of Biomass and Wastes", Final report, NNFCC project 09/008. A project funded by DECC, project managed by NNFCC and conducted by E4Tech, June 2009.

7 B. Kavalov, S.D. Peteves: "Status and Perspectives of Biomass-to-Liquid Fuels in the European Union". Institute for Energy, Directorate General Joint Research Centre (DG JRC), European Commission, 2005.