La carbonización hidrotermal de biomasa y sus aplicaciones

carbonización hidrotermal

Mahbod Shafei, experto iraní en conversión de biomasa, comparte con nosotros sus conocimentos acerca del proceso de carbonización hidrotermal y las aplicaciones de los productos derivados.

Carbonización hidrotermal

La biomasa, como materia prima no fósil, tiene aplicaciones en numerosas industrias como las energías renovables y productos químicos, agrícolas y farmacéuticos. Varios artículos sobre conversión termoquímica de biomasa aseguran que la combustión directa o gasificación no es una opción satisfactoria debido a las propiedades de la biomasa, como un alto grado de humedad y contenido de oxígeno.

Existen numerosos métodos para pretatar la biomasa y reducir la humedad, como la torrefacción. Este proceso genera una mayor cantidad de materiales carbonosos que pueden usarse después en procesos termoquímicos. Estos métodos tienen sus limitaciones debido al alto contenido de humedad de algunos tipos de biomasa como com

La carbonización hidrotermal de biomasa (HTC) es un método de pretratamiento de biomasa con alto contenido de humedad muy prometedor con altas propiedades deshidratantes. El material resultante del proceso de HTC, un subproducto carbonizado (hidro char), es similar al carbón marrón con su composición elemental y valor calorífico. A continuación se describe técnicamente el proceso de HTC y las aplicaciones de sus derivados en nuevas tecnologías.

Hydrothermal Carbonization (HTC) process

Friedrich Bergius comenzó a experimentar con este proceso en 1913. Técnicamente, la carbonización hidrotermal es un proceso químico que convierte la biomasa húmeda que no ha sido tratada en las últimas 12 horas en un material comparable al carbón marrón llamado hidro char. Entre los métodos térmicos, el HTC tiene grandes ventajas en la conversión de biomasa, ya que necesita menos cantidad de energía en el proceso de secado, la conversión es muy eficiente y la temperatura se mantiene relativamente baja. El proceso HTC funciona con biomasa con un alto grado de humedad suspendida en un recipiente a presión sometida a temperaturas entre 180º C y 250º C que resultan en vapor de agua de 15 a 20 bares. Se trata de un proceso exotérmico. Los experimentos muestran que el consumo de energía requerido para mantener la temperatura del reactor durante el proceso de carbonización es mucho más bajo debido al calor emitido por el reactor durante los procesos exotérmicos. 

Numerosas investigaciones muestran un 75-80% del carbón de entrada en fase sólida, un 15-20% disuelto en fase líquida y el 5% restante convertido en gas, principalmente dióxido de carbono [1]. La fase líquida consiste en gran parte en componentes orgánicos, fácilmente degradables. HTC es una tecnología prometedora para la conversión de residuos orgánicos con alto contenido en agua, pero también puede ser importante para la captura de CO2. La diferenciación del balance de masa entre la biomasa seca y húmeda indica que la recuperación de carbón en este proceso es del 90% aproximadamente. Además, comparando el contenido energético de los materiales de entrada y salida, vemos que 60-90% de los valores caloríficos están disponibles en el hidro char.

Según varios estudios, diferentes parámetros influyen en los rendimientos del proceso HTC, done la temperatura tiene un efecto importante. En consecuencia, la presión y el tiempo de permanencia dependen de la temperatura para optimizar el hidro char del proceso HTC. En la siguiente tabla, se muestra el efecto de los parámetros categorizados por materia prima. Los resultados muestran que, con una temperatura cercana a los 230º C y un tiempo de permanencia adecuado, el rendimiento de carbono de la biomasa aumentó y el ratio H/C y O/C en el hidro char se redujo en todos los casos [2].

Rendimiento sólido db %C %H %O %
Residuos bio54.67.537.9
HTC 230 °C, 4.5h5775.26.411.1
Residuos alimentarios45.76.243.9
HTC 250 °C, 20h4675.26.411.1
Lodos residuales51.86.837.9
HTC 230 °C, 6h5172.67.215.6
Madera50.36.043.3
HTC 230 °C, 5 min7556.15.937.9

Aplicaciones de los derivados de la carbonización hidrotermal

El proceso HTC admite una amplia variedad de tipos de biomasa no tradicionales como el abono animal, residuos humanos, lodos residuales, residuos sólidos municipales y algas. El producto comercial resultante del proceso de carbonización hidrotermal es el hidro char con las cualidades del carbón marrón.

  1. Residuos humanos, lodos residuales 

Las estadísticas indican que en Europa se producen alrededor de 10 millones de toneladas anuales de lodos residuales secos. En algunas plantas, ya se está realiando actualmente el proceso HTC en lodos residuales. El hidro char producido mediante este proceso demuestra que la conversión aumenta la densidad energética, el contenido de carbono y el contenido de oxígeno declinado de la biomasa. Además, con un control técnico de la temperatura, el contenido de cenizas se reduce de manera signficativa. También, el análisis de la fase líquida muestra que es biodegradable. Gracias a este método, es posible la reutilización energética de la fase líquida en forma de CH4.

2. Pretratamiento

En la mayor parte de los procesos de pretratamiento termoquímicos, es necesario destruir las propiedades fibrosas de las partículas de biomasa como en la gasificación arrastrada a presión. El HTC es un proceso de pretratamiento extraordinario que aumenta el valor calorífico y las propiedades mecánicas de la biomasa, como la capacidad de molienda. Algunas de las características específicas del hidro char, como la alta temperatura de ignición y amplio rango de combustión, lo hacen apropiado para las calderas de sistemas de calefacción. 

3. Enmienda de suelo 

El hidro char tiene el potencial de captar carbono del suelo, de mejorar la capacidad de retención de agua y nutrientes y reducir la emisión de gases de efecto invernadero como el CO2, CH4, and N2O.

4. Producción de catalizadores

La producción de catalizadores a partir del proceso de HTC ha generado hydrógeno debido al alto grado de estabilidad y a las cualidades de la superficie del hidro char. El experimento indicó que el HTC con algas para la producción de H2 generaba hidro char con tal capacidad catalítica que no solo se generaba H2, sino también la formación de fenol en la fase líquida, mientras que la producción de ácido era limitada [3].

Estimación de eficiencia y coste

Es necesario tomar en consideración el desarrollo del proceso de carbonización hidrotermal en la estimación de mercado de viabilidad económica. Varias investigaciones indican la rentabilidad del HTC en cuanto a eficiencia, medido con parámetros como la demanda eléctrica y energía térmica específica. Se prevee que en el proceso HTC, se consiga mayor eficiencia con una alta humedad en la biomasa.

Por ejemplo, una estimación informó de que una planta con un tiempo de operación de 8.000 horas al año y una capacidad de 20.000 toneladas anuales (2.500 kg/h) de biomasa, funciona de manera eficiente a 220º C, una hora de tiempo de permanencia con biomasa húmeda. Para esta planta, el consumo de energía térmica específica y de electricidad específica está alrededor de 1,17 KWh/kg y 0,16 KWh/kg de hidro char respectivamente, y la eficiencia total es del 78%.

Para la estimación económica, el coste de instalación y el coste de capital para la preparación de la obra, se consideran unos 1.157 kg/h de agua y tratamiento de agua. El coste neto y el coste de capital se estiman sobre unos 3 millones de euros.

Para el coste de producción, se estiman unos 157 euros por tonelada al considerar combustible para los quemadores, electricidad, mantenimiento, granulación e impuestos. Esta planta produce 5.500 toneladas de hidro char al año, y el valor de rentabilidad del hidro char es de 200 euros por tonelada. En contraste con el precio de los gránulos de madera, en un rango entre los 150 y 200 euros la tonelada, el hidro char puede competir con los gránulos de madera[ 4].

En Europe existen plantas de HTC con distintas capacidades en Alemania, Suiza, Italia y el Reino Unido.

Finalmente, la carbonización hidrotermal puede homogenizar la biomasa húmeda y producir hidro char para generar combustible. Por otra parte, hay una brecha de conocimientos entre la relación entre las propiedades de la biomasa, la aplicación final y el impacto medioambiental que pueda compensarse con más investigaciones en el laboratorio y trabajo práctico. Por ejemplo, los componentes orgánicos que se disuelven en la fase líquida del HTC suponen pérdidas energéticas considerables en la planta. Por lo tanto, es esencial concentrar los esfuerzos en conceptos para limitar los componentes disueltos y convertirlos en productos útiles como biogas.

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Referencias

[1] Hans-Günter Ramke, Dennis Blöhse, Hans-Joachim Lehmann, Joachim Fettig. Hydrothermal Carbonization of Organic Waste. University of Applied Sciences Ostwestfalen-Lippe, Campus Hoexter An der Wilhelmshöhe 44, 37671 Hoexter

[2] Zeno Robbiani. Hydrothermal Carbonisation of Biowaste/ faecal sludge. Swiss Federal Institute of Technology Zurich. April 2013.

[3] Silvia Rom. Libra Nicole Berge, Eduardo Sabio, Kyoung Ro, Liang Li, Beatriz Ledesma, Andr és Álvarez and Sunyoung Bae. Hydrothermal Carbonization modeling, Final Properties Design and Application. A Review. University of Extremadura, Avda. Elvas, s/n, 06006 Badajoz, Spain. 

[4] Michela Lucian, L fiori. Hydrothermal carbonization of waste biomass, process design, modeling, energy efficiency and cost analysis. Department of Civil, Environmental and Mechanical Engineering, University of Trento. 

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