ES2582035T3 - Procedimiento continuo de secado irreversible de biomasa lignocelulosica mediante despolimeración térmica - Google Patents

Procedimiento continuo de secado irreversible de biomasa lignocelulosica mediante despolimeración térmica Download PDF

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Abstract

Procedimiento de producción de un combustible a partir de biomasa lignocelulósica no alimentaria, en el que se procede a la introducción de biomasa lignocelulósica no alimentaria en una columna de secado y al desplazamiento de la biomasa de arriba abajo de la columna siguiendo unas fases en tres zonas sucesivas de secado, destilación y despolimerización térmica, lo que permite la descomposición y degradación de la hemicelulosa con modificación de la arquitectura parietal de la biomasa lignocelulósica, que da lugar a la supresión de la capacidad de absorción de humedad de la hemicelulosa y conlleva la eliminación del agua de la biomasa y una transformación de una parte de la materia orgánica con la evaporación de los materiales orgánicos volátiles, estableciendo el tratamiento térmico dos flujos que circulan a contracorriente en la columna de secado y despolimerización térmica, por una parte un flujo gaseoso que avanza de abajo arriba y, por otra, un flujo de materias sólidas resultantes de la biomasa que avanza de arriba abajo, situándose la zona de despolimerización térmica en la parte inferior de la columna de secado o en el nivel superior de una rejilla inferior situada en la columna, conllevando el proceso de despolimerización el cambio de la estructura molecular de la biomasa mediante una evacuación total del agua, estando los productos obtenidos en un estado de estructura irreversible, seco e hidrófobo, caracterizado por que se mantiene un gradiente de temperatura en la columna llena de biomasa no alimentaria, por que las temperaturas más altas, inferiores a 250 °C, se sitúan en la parte inferior de la columna en la rejilla en relación con la zona de despolimerización, por que las temperaturas más bajas, inferiores a 60 ° C, se sitúan en la parte superior de la columna, en la salida de gases, por que el tercio superior de la columna, que corresponde a la zona de secado, se mantiene a temperaturas de biomasa inferiores a los 70 °C y desempeña el papel de filtro de los gases en relación con los primeros compuestos orgánicos volátiles extraídos de la biomasa, por que la zona de destilación se encuentra a una temperatura gradual de 100 °C a 240 °C, que permite la evacuación de los orgánicos ligeros, por que la zona de despolimerización de la parte baja de la columna está a una temperatura entre 200 °C y 240 °C, y por que el tratamiento térmico se lleva a cabo según un procedimiento continuo.

Description

DESCRIPCION
Procedimiento continuo de secado irreversible de biomasa lignocelulosica mediante despolimeracion termica.
5 [0001] La invencion se refiere al sector tecnico del tratamiento de la biomasa en el contexto de las energlas renovables para su valorizacion.
[0002] En este comienzo del siglo XXI, el desarrollo sostenible parece ser el unico camino posible para preservar el planeta y reparar el dano causado por el desarrollo desenfrenado de la segunda mitad del siglo XX.
10 Esta es la razon por la que en la actualidad se estan realizando muchos estudios sobre la valorizacion energetica de la biomasa con el fin de encontrar alternativas para sustituir lo mas rapidamente posible los combustibles fosiles por energlas renovables, disminuyendo as! nuestra dependencia del carbon y de los derivados del petroleo, lo que tendra el efecto de reducir la huella de carbono en el proceso de produccion de electricidad, cemento, cal o incluso acero y ensanchar el camino hacia el desarrollo sostenible.
15
[0003] Entre estas soluciones, se han desarrollado estudios sobre la valorizacion energetica de la biomasa.
[0004] El documento WO 92/17744 describe el tratamiento termico de la biomasa en una torre de fluidificacion segun un procedimiento conforme al preambulo de la reivindicacion 1.
20
[0005] El propio solicitante participo en las tareas de investigacion y desarrollo diversos procedimientos para el reciclaje de madera tratada, la destilacion de productos solidos organicos, la fabricacion de carbon vegetal inorganico con alto contenido de carbono y la fabricacion de polvo de carbono. Estos distintos estudios y desarrollos dieron lugar, en particular, a las patentes FR 2734741, PCT FR 2006/050471, WO 2008/116993, WO 2007/006990.
25
[0006] Estos diversos procedimientos fueron objeto de actividades de experimentacion y explotacion que dieron resultados muy satisfactorios y que respondlan a la problematica inicial arriba indicada, en particular permitiendo la valorizacion de determinados solidos organicos con vistas al diseno de productos, en especial de combustion.
30
[0007] En particular, en la patente PCT WO 20071000548, el procedimiento de destilacion esta destinado a la valorizacion material de solidos organicos para la produccion de una materia prima secundaria a partir casi exclusivamente de carbono, no estando dicha materia prima destinada a ser quemada. Esta materia prima secundaria a base de carbono esta destinada a emplearse en la produccion de otros productos. Esta materia prima
35 secundaria esta libre de componentes organicos, que han sido eliminados, al igual que el agua, por efecto de la
evaporacion. Se obtiene un producto secundario a base de carbono que puede ser reciclado y utilizado como
componente en la produccion de otros productos.
[0008] El planteamiento del solicitante, en el marco de sus investigaciones, era disenar y obtener unos 40 productos finales combustibles libres de agua, pero que mantuvieran toda su materia organica para mejorar aun mas
la calidad de los productos, evitando al mismo tiempo los problemas de fermentacion, la aparicion de productos de fermentacion como hongos o moho y despreocupandose ademas del entorno climatico al almacenar los productos.
[0009] Por eso Thermya desarrollo y puso a punto un procedimiento para producir, a partir de biomasa no
45 comestible, un combustible de alto rendimiento energetico, estable, seco e hidrofobo, que permite un
almacenamiento de larga duracion sin riesgos de degradacion biologica. Por otra parte, este procedimiento termico facilita la trituracion y la compresion de la biomasa, aumentando al mismo tiempo la calidad de su combustion.
[0010] La solucion proporcionada por el solicitante a traves de un nuevo procedimiento cumple estos objetivos y 50 los productos obtenidos mediante la aplicacion del procedimiento segun la invencion presentan un estado
irreversible de secado que permite su uso posterior en condiciones optimas de combustion a salvo de
condicionamientos externos.
[0011] El procedimiento de la invencion es conforme a la reivindicacion 1.
55
[0012] Estas y otras caracterlsticas se pondran de manifiesto en la siguiente descripcion.
[0013] El objeto de la invencion se ilustra de modo no restrictivo en las figuras de los dibujos:
La Figura 1 es una vista esquematica que representa la columna de secado irreversible de la biomasa no alimentaria segun el procedimiento de la invencion.
La Figura 2 es una vista esquematica de la instalacion en la que se aplica el procedimiento.
5
[0014] Con el fin de concretar mas el objeto de la invencion, se describe a continuacion de forma no restrictiva, ilustrada en las figuras de los dibujos.
[0015] El solicitante desarrollo y puso a punto un procedimiento para producir, a partir de biomasa no alimentaria, 10 un combustible de alto rendimiento energetico estable, seco e hidrofobo, que permite un almacenamiento de larga
duracion sin riesgo de degradacion biologica. El procedimiento segun la invencion permite, por otro lado, facilitar la trituracion y la compresion de la biomasa, aumentando al mismo tiempo la calidad de su combustion.
[0016] El procedimiento de la invencion tiene el objetivo de tratar la biomasa no alimentaria de forma continua 15 mediante despolimerizacion termica con un secado que conlleva la irreversibilidad estructural de la biomasa dandole
las caracterlsticas de productos obtenidos en estado seco, hidrofobo, lo que permite un almacenamiento de larga duracion sin riesgo de degradacion biologica debida al entorno natural o a la aparicion de moho. En otras palabras, el procedimiento segun la invencion implica un cambio en la estructura molecular de la biomasa mediante la evacuacion total del agua y el debilitamiento de la estructura parietal por despolimerizacion y ligera desvolatilizacion. 20 Los productos obtenidos estan en un estado irreversible y su estructura y composition no pueden modificarse posteriormente.
[0017] El procedimiento de production de un combustible de alto rendimiento energetico a partir de biomasa no alimentaria es notable porque se procede a introducir la biomasa en una columna de secado y a desplazar la
25 biomasa de arriba abajo en la columna siguiendo unas fases en tres zonas sucesivas de secado, destilacion y despolimerizacion termica, efectuandose esta ultima a una temperatura inferior a 250 °C, lo que permite la elimination del agua de la biomasa de manera irreversible y la transformation de una parte de la materia organica, y porque el tratamiento termico se lleva a cabo segun un proceso continuo en el que se utilizan dos flujos que circulan a contracorriente en la columna de secado y de despolimerizacion termica, por una parte un flujo gaseoso que 30 avanza de abajo arriba y, por otra, un flujo de materias solidas resultantes de la biomasa que avanza de arriba abajo.
[0018] La zona de la despolimerizacion termica esta situada en la parte inferior de la columna de secado o en el nivel superior de una rejilla inferior situada en la columna y dispuesta para permitir la entrada de gases neutros
35 calientes y, por otra parte, la extraction de los productos obtenidos en estado solido seco e hidrofobo.
[0019] Mas particularmente, la despolimerizacion termica permite que cada partlcula de biomasa se caliente Integramente para que adquiera una temperatura uniforme desde la superficie hasta el nucleo. En el ejemplo de una biomasa lignocelulosica (por ejemplo, madera) constituida por hemicelulosa, celulosa, lignina y materias organicas y
40 minerales (generalmente inferiores al 3 %). Durante la despolimerizacion termica, se modifica la estructura molecular de la biomasa, lo que provoca un cambio en sus propiedades. La despolimerizacion uniforme de la biomasa libera el agua y evapora los compuestos organicos volatiles (COV) por descomposicion de la hemicelulosa y de los extractos. La temperatura de los gases de inyeccion corresponde a la temperatura final del tratamiento termico de despolimerizacion, que varla dependiendo del tipo de biomasa lignocelulosica que se trate. A esta temperatura, la 45 lignina sufre una modification menor mientras que la celulosa no es atacada por el calor. Como la hemicelulosa tiene un papel fundamental en el mantenimiento de una arquitectura parietal organizada al unir las fibrillas de celulosa entre si, su despolimerizacion y su desvolatilizacion parcial debilita la estructura. Ademas, al ser la hemicelulosa un pollmero amorfo con una gran capacidad de absorcion de la humedad, su degradacion permite la eliminacion del agua y, sobre todo, vuelve hidrofoba la madera. Asl, una vez evaporada, el agua ya no puede ser 50 reabsorbida por la madera.
[0020] De ese modo, el procedimiento segun la invencion permite la conversion rapida y continua de la biomasa no alimentaria en estado humedo en biomasa seca, hidrofoba, facilmente triturable y densificable y que no permite la reabsorcion de humedad.
55
[0021] Remitiendose a la Figura 1, se mantiene el gradiente de temperatura en la columna llena de biomasa no alimentaria. Las temperaturas mas altas, inferiores a 250 °C, se situan en la parte inferior de la columna, en la rejilla en relation con la zona de despolimerizacion. Las temperaturas mas bajas, inferiores a 60 °C, se situan en la parte superior de la columna, en la salida de gases. El tercio superior de la columna, indicado como 4.1 y que corresponde
a la zona de secado, se mantiene a temperaturas de biomasa inferiores a los 70 °C y desempena el papel de filtro de los gases en relacion con los primeros organicos volatiles extraldos de la biomasa.
[0022] La zona 2, relativa a la destilacion, se encuentra a una temperatura gradual de 100 °C a 240 °C, que 5 permite la evacuacion de organicos ligeros.
[0023] La zona 3, inscrita en la zona 2, es la relativa a la despolimerizacion en la parte baja de la columna, entre 200 °C y 240 °C.
10 [0024] Cuando una partlcula de biomasa se desplaza desde arriba hacia abajo por la columna, se encuentra progresivamente con gases neutros respecto al oxlgeno y cuya temperatura es cada vez mas elevada. Su temperatura aumenta de forma homogenea desde su superficie hasta su nucleo. Durante su avance hacia abajo, la partlcula de biomasa pierde progresivamente el agua y luego las hemicelulosas sufren una despolimerizacion y una ligera desvolatilizacion, lo que conlleva la expulsion de las sustancias organicas al flujo gaseoso. Esto prosigue 15 hasta que la partlcula llega a la rejilla de la parte inferior de la columna.
[0025] Las partlculas extraldas de la columna se han sometido a un tratamiento termico que ha permitido su secado a fondo, seguido por su despolimerizacion y su ligera desvolatilizacion, que dan a las partlculas un comportamiento hidrofobo y una gran fragilidad de la estructura parietal de la biomasa.
20
[0026] El flujo gaseoso a la salida de la columna entra en el marco de la instalacion representada en la Figura 2 con una fase de reciclaje en circuito cerrado. En la Figura 2, se representa la columna con el 4, la camara de inyeccion de gas y de recuperacion de la biomasa con el 2, la rejilla con el 3, los ventiladores con el 1 y el 7, el secador de gas con el 5, la camara termica de combustion con el 6 y el tratamiento de los gases de salida con el 8.
25 Se identifican las valvulas como A B, C y D. Este tipo de instalacion es conocido por si mismo.
[0027] Las caracterlsticas y la originalidad de la invencion radican por lo tanto en los siguientes elementos y en la combinacion de sus efectos, lo que permite obtener unos productos de combustion de alta eficiencia energetica y que no estan sujetos a condicionantes externos y biologicos, conservando de forma irreversible el nuevo estado de
30 estructura obtenido mediante el procedimiento:
- Secado irreversible (humedad residual < 1 %) continuo de la biomasa mediante un flujo de gas caliente bajo en oxlgeno,
35 - Circulacion vertical continua de dos flujos a contracorriente: biomasa hacia abajo y gases calientes hacia arriba,
- Calentamiento directo de la biomasa por los gases calientes,
- Uniformidad del calentamiento de cada partlcula durante todo el proceso termico,
40
- Progresividad del aumento de la temperatura de las partlculas a medida que las partlculas se trasladan hacia la parte inferior de la columna,
- Conservacion de la practica totalidad de la energla contenida en la biomasa original,
45
- Tratamiento termico suave (inferior a 250 °C) adaptado al punto de despolimerizacion de cada tipo de biomasa lignocelulosica,
- Despolimerizacion de la estructura parietal de la biomasa y, en particular, de la hemicelulosa,
50
- Ligera desvolatilizacion que permite la extraccion de los primeros organicos de la biomasa por gases pobres en oxlgeno (< 2 %),
- Filtracion de los gases por la parte superior de la columna que actua como filtro,
55
- La temperatura de calentamiento nunca supera a la temperatura final de despolimerizacion de cada tipo de biomasa.
[0028] Con fines indicativos, se proporciona informacion desarrollada despues de la prueba de evaluacion
realizada por el solicitante sobre la eliminacion de la materia organica segun el procedimiento de destilacion WO 2007/000548 y de la solicitud.
[0029] En el primer caso, el rendimiento de masa del procedimiento es del orden del 30 % a partir de madera con 5 una humedad cercana al 10 %. El producto resultante esta compuesto casi exclusivamente de carbono. Durante el
procedimiento se extrae la totalidad del agua y de la parte organica.
[0030] En el marco de la solicitud (secado irreversible), el rendimiento de masa del procedimiento es del orden del 90 % con una base de madera seca. El producto resultante es una madera seca que ha perdido una pequena parte
10 de su composicion organica. Durante el procedimiento se extrae la totalidad del agua y una pequena proporcion organica.
[0031] El procedimiento segun la invencion tiene muchas aplicaciones y supone un gran avance en el campo de las energlas renovables.
15

Claims (2)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de produccion de un combustible a partir de biomasa lignocelulosica no alimentaria, en el que se procede a la introduccion de biomasa lignocelulosica no alimentaria en una columna de secado y al
    5 desplazamiento de la biomasa de arriba abajo de la columna siguiendo unas fases en tres zonas sucesivas de secado, destilacion y despolimerizacion termica, lo que permite la descomposicion y degradacion de la hemicelulosa con modificacion de la arquitectura parietal de la biomasa lignocelulosica, que da lugar a la supresion de la capacidad de absorcion de humedad de la hemicelulosa y conlleva la eliminacion del agua de la biomasa y una transformacion de una parte de la materia organica con la evaporacion de los materiales organicos volatiles, 10 estableciendo el tratamiento termico dos flujos que circulan a contracorriente en la columna de secado y despolimerizacion termica, por una parte un flujo gaseoso que avanza de abajo arriba y, por otra, un flujo de materias solidas resultantes de la biomasa que avanza de arriba abajo, situandose la zona de despolimerizacion termica en la parte inferior de la columna de secado o en el nivel superior de una rejilla inferior situada en la columna, conllevando el proceso de despolimerizacion el cambio de la estructura molecular de la biomasa mediante 15 una evacuacion total del agua, estando los productos obtenidos en un estado de estructura irreversible, seco e hidrofobo, caracterizado por que se mantiene un gradiente de temperatura en la columna llena de biomasa no alimentaria, por que las temperaturas mas altas, inferiores a 250 °C, se situan en la parte inferior de la columna en la rejilla en relacion con la zona de despolimerizacion, por que las temperaturas mas bajas, inferiores a 60 ° C, se situan en la parte superior de la columna, en la salida de gases, por que el tercio superior de la columna, que 20 corresponde a la zona de secado, se mantiene a temperaturas de biomasa inferiores a los 70 °C y desempena el papel de filtro de los gases en relacion con los primeros compuestos organicos volatiles extraldos de la biomasa, por que la zona de destilacion se encuentra a una temperatura gradual de 100 °C a 240 °C, que permite la evacuacion de los organicos ligeros, por que la zona de despolimerizacion de la parte baja de la columna esta a una temperatura entre 200 °C y 240 °C, y por que el tratamiento termico se lleva a cabo segun un procedimiento 25 continuo.
  2. 2. Producto de combustion de alto valor energetico obtenido segun el procedimiento de la reivindicacion 1 y que presenta un estado de estructura irreversible, seco e hidrofobo.
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