Procedimiento y aparato para el pre-tratamiento de biomasa.

La presente invención describe un nuevo procedimiento de pretratamiento de biomasa,

y una instalación para su puesta en práctica, su posterior tratamiento biológico y obtención de biocombustible. El procedimiento se basa en el empleo de al menos un intercambiador de superficie rascada y comprende las siguientes etapas: calentar la biomasa hasta una temperatura igual o inferior a 110ºC en un intercambiador H1; calentar la biomasa obtenida en la etapa a) hasta una temperatura comprendida entre 150 y 175ºC en un intercambiador de superficie rascada H2; termohidrólisis de la biomasa a una temperatura comprendida entre 150 y 175ºC; y enfriar la biomasa termohidrolizada para su posterior tratamiento biológico.

Procedimiento y aparato para el pre-tratamiento de biomasa.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento e instalación para el pretratamiento de biomasa procedente de cualquier fuente de materia orgánica. La biomasa pretratada puede ser a continuación sometida a tratamiento biológico para la producción de bioetanol o biogas.

Antecedentes de la invención

Para la obtención de biocombustibles a partir de biomasa es necesario que bacterias y enzimas ataquen la hemicelulosa y la celulosa de la misma, para transformarlas en bioetanol o biogas. La hemicelulosa y la celulosa están protegidas por la lignina, una fibra que las envuelve, e impide dicho ataque biológico. Por tanto el primer paso en la obtención de biocombustible es pretratar la biomasa para romper la lignina y hacer accesibles la hemicelulosa y la celulosa a las bacterias y enzimas.

En el estado de la técnica es conocido que el tratamiento de material orgánico a una temperatura comprendida entre 160-240ºC causa la hidrólisis de una parte considerable de la materia orgánica, por lo que se ha desarrollado un procedimiento de pretratamiento térmico de residuos orgánicos, madera etc. En el caso de la obtención de biocombustibles, que constituyen actualmente una importante alternativa a los combustibles fósiles, un pretratamiento de la biomasa que va a ser utilizada, aumenta considerablemente la conversión al mismo, lo cual resulta de gran interés económico e industrial.

Se conocen diversos procedimientos para el pretratamiento de biomasa, que se clasifican en químicos y térmicos, entre los cuales cabe mencionar el procedimiento de explosión de vapor que puede llevarse a cabo en un tanque flash convencional. WO96/09882 describe en este sentido, un pretratamiento de biomasa para producir la rotura de la lignina, basado en la explosión térmica, que consiste en someter la biomasa a calentamiento y presión elevada para de repente liberar la presión, con lo que el agua retenida en el interior de la biomasa explosiona, rompiendo la barrera de lignina y liberando la hemicelulosa y la celulosa sobre las que a continuación pueden actuar bacterias y enzimas. Este procedimiento sin embargo presenta, entre otras desventajas, que no es un procedimiento continuo, y que sólo se recupera entorno a un 50% de la energía invertida en el procedimiento de pretratamiento con lo que el balance energético resultante es pobre, y el consumo necesario de energía para producir bioetanol o biogas resulta elevado.

Por tanto y debido al interés creciente en biocombustibles sigue existiendo la necesidad en el estado de la técnica de proporcionar un procedimiento alternativo para el pretratamiento de biomasa que sea eficaz desde un punto de vista energético, y por tanto interesante para su puesta en práctica a nivel industrial.

Breve descripción de las figuras

Figura 1: muestra un esquema de flujo de una realización particular del procedimiento de la invención y de una realización particular de la instalación de la invención para su puesta en práctica.

Figura 2: muestra un esquema de flujo de una realización particular del procedimiento de la invención y de una realización particular de la instalación de la invención para su puesta en práctica.

Descripción detallada la invención

A continuación se describe de forma detallada la invención haciendo referencia a las Figuras 1 y 2.

En un primer aspecto, la invención se relaciona con un nuevo procedimiento para el pretratamiento de biomasa que comprende las siguientes etapas:

a) calentar la biomasa hasta una temperatura igual o inferior a 110ºC en un intercambiador H1;

b) calentar la biomasa obtenida en la etapa a) hasta una temperatura comprendida entre 150 y 175ºC en un intercambiador de superficie rascada H2;

c) termohidrólisis de la biomasa obtenida en la etapa b) a una temperatura comprendida entre 150 y 175ºC; y

d) enfriar la biomasa termohidrolizada para su posterior tratamiento biológico.

La biomasa utilizada en el procedimiento se tritura previamente, y puede proceder de cualquier fuente de material orgánico, por ejemplo, residuos vegetales, madera etc., y se encuentra inicialmente a temperatura ambiente, entorno a 20ºC.

En una realización particular del procedimiento de la invención, que se esquematiza en la Figura 1, la etapa a) se realiza en un intercambiador H1 en el que la biomasa alcanza una temperatura entorno a 110ºC. Esta temperatura es importante controlarla a la salida de H1. El calor necesario para esta etapa a) proviene del agua caliente que se genera en un intercambiador de superficie rascada H4. El agua caliente, en general a 130ºC, es conducida mediante medios adecuados desde H4 a H1. Una vez cedido el calor a la biomasa el agua enfriada a 40ºC retorna desde H1 a H4.

A continuación la biomasa a 110ºC se lleva a un intercambiador de superficie rascada H2 donde tiene lugar la etapa b) según la cual se calienta hasta alcanzar una temperatura comprendida entre 150 y 175ºC.

Para calentar la biomasa en H2 se utiliza aceite térmico y un intercambiador H3 conectado al intercambiador de superficie rascada H2, entre los cuales circula aceite térmico que sale desde H3 hacia H2 a 230ºC y desde H2 a H3 a 210ºC. En una realización particular, para el calentamiento del aceite térmico se utilizan gases de escape producidos en alguno otro punto de la instalación. En otra realización particular, H2 puede calentarse de forma alternativa, por ejemplo mediante vapor de una caldera, eliminando así el empleo del intercambiador H3 en la instalación de la invención.

Es importante en este punto evitar la evaporación de agua de la biomasa por lo que se mantiene una presión comprendida entre 6 y 8 bar mientras la biomasa se encuentra a temperatura elevada (entre 150 y 175ºC) durante el procedimiento de la invención.

La biomasa que sale de H2 se lleva a una zona de mantenimiento M1 donde tiene lugar la etapa c) de termohidrólisis de la biomasa a presión y una temperatura comprendida entre 150 y 175ºC y durante un tiempo predeterminado.

La biomasa termohidrolizada se enfría en la etapa d) hasta alcanzar una temperatura de 60ºC en el intercambiador de superficie rascada H4, utilizando agua enfriada que proviene del intercambiador H1 como se ha mencionado arriba. En una realización particular se utiliza un lazo de agua que permite el transporte de calor entre H1 y H4. Esta combinación se puede definir como un sistema de recuperación de energía directa, y contribuye de forma esencial al mejor rendimiento energético respecto a otros procedimientos de la técnica.

La biomasa enfriada a 60ºC en H4 se continúa enfriando hasta una temperatura de 40ºC en un intercambiador H5, temperatura a la cual tienen lugar en general los procedimientos biológicos con enzimas y bacterias en un tanque adecuado.

En esta realización particular del procedimiento de la invención los intercambiadores H1 y H5 son de tipo convencional, en particular de tubo en tubo, mientras que los intercambiadores H2 y H4 son intercambiadores de superficie rascada. A temperaturas superiores a 110ºC, el uso de intercambiadores convencionales tubulares implicaría la necesidad de detener el procedimiento para limpiar y quitar el ensuciamiento interno. El empleo sin embargo de los intercambiadores de superficie rascada H2 y H4 permite llevar a cabo el procedimiento de la invención en continuo, ya que la pared se limpia continuamente y se asegura además su óptimo intercambio de calor. De este modo se evita el ensuciamiento, la operación puede ser continua, lo cual mejora y facilita el procedimiento.

En otra realización particular del procedimiento de la invención, que se esquematiza en la Figura 2, la etapa a) se realiza en un intercambiador H1 en el que la biomasa alcanza una temperatura entorno a 70-80ºC y en la que el calor necesario para su calentamiento proviene del vapor de agua que se genera a 100ºC en un tanque flash F1.

La biomasa a 70-80ºC se lleva al intercambiador de superficie rascada H2 donde tiene lugar la etapa b) según la cual se calienta hasta alcanzar una temperatura comprendida entre 150 y 175ºC.

Para calentar la biomasa en H2 se utiliza aceite térmico y un intercambiador H3 conectado al intercambiador de superficie rascada H2 entre los cuales circula aceite térmico, que sale desde H3 hacia H2 calentado a 230ºC... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para el pretratamiento de biomasa que comprende las siguientes etapas:

a) calentar la biomasa hasta una temperatura igual o inferior a 110ºC en un intercambiador H1;

b) calentar la biomasa obtenida en la etapa a) hasta una temperatura comprendida entre 150 y 175ºC en un intercambiador de superficie rascada H2;

c) termohidrólisis de la biomasa obtenida en la etapa b) a una temperatura comprendida entre 150 y 175ºC;

d) enfriar la biomasa termohidrolizada para su posterior tratamiento biológico.

2. Procedimiento según la reivindicación 1 en el que la etapa a) se realiza en un intercambiador H1 en el que la biomasa alcanza una temperatura de 110ºC, y en la que el calor necesario proviene del agua caliente generada en un intercambiador de superficie rascada H4.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, en el que en la etapa d) la biomasa termohidrolizada se enfría hasta una temperatura de 60ºC en el intercambiador de superficie rascada H4, con agua enfriada que proviene del intercambiador H1 y a continuación se enfría hasta una temperatura de 40ºC en un intercambiador H5.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la etapa a) se realiza en un intercambiador H1 en el que la biomasa alcanza una temperatura de entre 70-80ºC y en la que el calor necesario proviene del vapor de agua generado a 100ºC de un tanque flash F1.

5. Procedimiento según la reivindicación 1 o 4, que comprende, además, una explosión de vapor de la biomasa previamente termohidrolizada en la etapa c) que tiene lugar en un tanque flash F1.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, 4 o 5, en el que la biomasa se enfría hasta una temperatura de 40ºC en un intercambiador H4.

7. Instalación para llevar a cabo el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende en serie:

8. Instalación según la reivindicación 7, en la que el intercambiador H1 está conectado con el intercambiador de superficie rascada H4 a través de medios que transportan agua enfriada desde H1 al intercambiador de superficie rascada H4 y agua caliente desde H4 a H1.

9. Instalación según la reivindicación 7, en la que el intercambiador H5 utiliza agua de enfriamiento procedente de la red de agua de la instalación para enfriar la biomasa termohidrolizada.

10. Instalación según cualquiera de las reivindicaciones 7, 8 o 9 provista de medios para mantener una presión comprendida entre 6 y 8 bar dentro de la zona de la instalación desde el intercambiador H2 al intercambiador H4 ambos inclusive.

11. Instalación para llevar a cabo el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1, 4-6, que comprende en serie:

12. Instalación según la reivindicación 11, que comprende medios para transportar vapor de agua generado a 100ºC en el tanque flash F1 al intercambiador H1.

13. Instalación según a reivindicación 11, en la que el intercambiador H4 utiliza agua de enfriamiento procedente de la red de agua de la instalación para enfriar la biomasa hidrolizada.

14. Instalación según cualquiera de las reivindicaciones 11-13, provista de medios para mantener una presión comprendida entre 6 y 8 bar dentro de la zona de la instalación desde el intercambiador H2 incluido hasta la entrada en el tanque flash F1.

15. Instalación según la reivindicación 7 o 11, en la que el intercambiador de superficie rascada H2 está conectado con un intercambiador H3 mediante medios que transportan desde H3 a H2 aceite térmico calentado a 230ºC y desde H2 a H3 aceite térmico enfriado a 210ºC.