Método de licuefacción de biomasa lignocelulósica e instalación para realizar dicho método.

Método de licuefacción de biomasa lignocelulósica e instalación para realizar dicho método.

La presente invención se refiere a un método de transformación de biomasa lignocelulósica sólida en líquida, que comprende al menos las siguientes etapas: mezclar la biomasa molida en una solución que comprende al menos un líquido solvente y al menos un catalizador, elegido entre uno bien ácido o básico, en una concentración de biomasa en el líquido solvente entre el 10% y el 50% en peso; someter la mezcla a una temperatura comprendida entre 260°C y 400°C, incluidos ambos límites, y a una presión seleccionada entre 30 bar y 80 bar, incluidos ambos límites, hasta producirse una fracción líquida y gases de reacción; poner en contacto la mezcla con un catalizador de desoxigenación, en el reactor de presión; retirar y enfriar la biomasa líquida, y separarla de los gases de reacción. El tiempo de reacción una vez que se ha alcanzado la temperatura máxima está comprendido entre 10 segundos y 2 horas.

MÉTODO DE LICUEFACCIÓN DE BIOMASA LIGNOCELULÓSICA E INSTALACIÓN PARA REALIZAR DICHO MÉTODO

CAMPO TÉCNICO Y OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca en el campo de la Ingeniería Química, y se refiere en general a la conversión de biomasas en productos líquidos y/o gaseosos (biocombustibles) . Concretamente, está dirigida a un método y una instalación destinados a la licuefacción de biomasa vegetal sólida, denominada técnicamente biomasa lignocelulósica, en una fracción líquida mediante un tratamiento termoquímico en el cual se introduce la biomasa en un medio líquido disolvente y se somete a la acción de catalizadores, en unas condiciones de reacción definidas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los efectos adversos para el medio ambiente producidos por el consumo continuado de combustibles fósiles han promovido un interés creciente por la búsqueda de energías alternativas. El aprovechamiento energético de residuos agrícolas, forestales o de la biomasa en general puede contribuir enormemente a paliar este problema.

Se entiende por biomasa lignocelulósica aquella materia orgánica vegetal que tiene su origen inmediato en un proceso biológico conocido como fotosíntesis. Gracias a esta se forman moléculas de alto contenido energético en forma de energía química.

La madera, biomasa estructural de las plantas leñosas producida por medio de la fotosíntesis, es una mezcla de tres polímeros naturales: celulosa, hemicelulosa y lignina, con una relación aproximada de 50:25:25, según la especie. La celulosa y la hemicelulosa son polímeros de hidratos de carbono formados a partir de moléculas de monosacáridos, y la lignina es un polímero de unidades fenilpropánicas.

El aprovechamiento energético de esta biomasa de origen vegetal suele requerir una transformación y un tratamiento químico de la misma, generalmente mediante reacciones exotérmicas que convierten parte de la energía química de la biomasa en energía térmica. Existen diferentes técnicas que pretenden transformar (licuar o gasificar) la biomasa lignocelulósica (sólida en su estado natural) , en líquida, entre las que se pueden destacar:

-Gasificación (EP1371714 B1, EP1114129 B1, ES 2199612 B1) . Se produce una combustión incompleta de la biomasa (combustión en defecto de oxígeno) , para la obtención de gas de síntesis (CO y H2) . Mediante un proceso posterior de Fischer-Tropsch, se pretende la producción de hidrocarburos líquidos (gasolina, keroseno, gasoil y lubricantes) . El principal problema de esta técnica es que la biomasa está altamente oxigenada y es deficitaria en hidrógeno, por lo que éste se debe añadir para la correcta elaboración de los hidrocarburos, lo que conlleva un elevado gasto. Por otra parte, el uso de la gasificación para obtener un gas pobre y ser usado como combustible en motores de cogeneración ha sido largamente investigado, pero las unidades que se han implementado siempre han sufrido innumerables problemas, no existiendo en este momento una tecnología fiable implantada en el mercado.

-Pirólisis (EP0904335 B1, EP0670873 B1, EP0221679

B1) . Se produce una destilación de la biomasa en ausencia total de oxígeno, dando como resultado un líquido denominado ácido piroleñoso o pirolítico. Su acidez es acusada (pH inferior a 3) y las instalaciones que se han montado han tenido severos problemas de corrosión. En función de la temperatura a la que se realiza la pirólisis se obtiene una mayor

o menor cantidad de combustible líquido (hasta un 6070% a 700ºC) , altamente oxigenado, con una acusada acidez y gran inestabilidad, lo que lo inhabilita como biocombustible. Este tipo de instalaciones han tenido muchos problemas de corrosión derivados de la alta acidez del líquido pirolítico obtenido.

-Transformación de los azúcares presentes en bioetanol (WO07/082976 A1; WO 2010/006840 A3) . La celulosa y la hemicelulosa son polímeros de azúcares, que despolimerizados se pueden fermentar a etanol. Se trata de un proceso complicado ya que se generan productos de degradación (ácido acético, furfurales, …) que inhiben o dificultan la fermentación a etanol. Debemos reseñar que un inconveniente principal es que la fracción de la lignina queda como residuo en el proceso y no se aprovecha, siendo su porcentaje de un 30% en muchas especies forestales.

Para tratar de solucionar los problemas detectados por el solicitante en los procesos de transformación de biomasa vegetal ya mencionados, la presente invención propone un método alternativo basado en la licuefacción termoquímica. Este método es radicalmente diferente al de gasificación (no se pretende obtener un gas de síntesis) , y al de pirólisis (no se produce una destilación seca) , sino una disolución en un medio líquido y ayudada por al menos un catalizador. De esta forma se obtiene un combustible líquido, de baja viscosidad, con menor proporción de oxígeno que la biomasa original y que es una base para los biocombustibles de 2ª generación. Este sistema se expone en los apartados siguientes, así como una instalación para llevarlo a cabo de modo continuo.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Descripción general

El objeto principal de la presente invención es un método de transformación de biomasa lignocelulósica sólida en líquida (licuefacción) , caracterizado por que comprende las siguientes etapas:

-mezclar la biomasa, molida a un tamaño inferior a 2 mm., en una solución que comprende al menos los siguientes componentes:

al menos un líquido solvente, al menos un catalizador, bien uno ácido o básico o bien uno de desoxigenación;

-someter la mezcla a una temperatura comprendida entre 260ºC y 400ºC, incluidos ambos límites, y a una presión seleccionada entre 30 bar y 80 bar, incluidos ambos límites, hasta producirse una fracción líquida y gases de reacción;

-retirar y enfriar la biomasa líquida, y retirar y condensar los gases de reacción. El líquido obtenido se puede utilizar parcial o totalmente como disolvente de la siguiente biomasa.

La concentración inicial de biomasa triturada en el líquido solvente debe ser como mínimo del 10% y como máximo del 50% en peso respecto al disolvente.

El tiempo de reacción, una vez que se ha alcanzado la temperatura máxima, está comprendido entre los 10 segundos y las 2 horas.

En definitiva, el tratamiento de la biomasa lignocelulósica, previamente molida y seca, consiste en provocar su disolución en al menos un disolvente, a la temperatura y presión de trabajo especificadas, y con un tiempo de reacción de al menos 10 segundos a la temperatura máxima. Además, la reacción de disolución está catalizada por al menos un catalizador. De esta manera, mediante el efecto disolvente del líquido combinado con la acción de los catalizadores en las condiciones especificadas de reacción se obtiene la despolimerización de la fracción sólida de la biomasa y su conversión en una variedad de productos líquidos y de gases. De hecho, durante el proceso de disolución de la biomasa en el líquido disolvente se produce una desoxigenación parcial de la misma por formación de CO2 y CO, junto con agua, de forma que el líquido obtenido tiene un poder calorífico superior a la biomasa original.

Asimismo, otro objeto de la presente invención es una planta de transformación de biomasa lignocelulósica sólida en líquida que comprende: un mezclador de la biomasa sólida con componentes de reacción (por ejemplo, una tolva) ; medios de alimentación de la mezcla al interior de un intercambiador de calor (por ej. medios de bombeo) , el cual comprende además medios de calentamiento (por ej. medios de calentamiento de los tubos por donde circula la mezcla) . Del primer intercambiador la mezcla pasa a un segundo intercambiador de tubos carcasa, que comprende medios de calentamiento (por ej. mediante aceite térmico que proviene de una caldera) . De este intercambiador, la mezcla, ya calentada a la temperatura de reacción seleccionada, entra en un reactor cilíndrico, que comprende medios de agitación, donde se encuentra el catalizador de desoxigenación; de aquí el líquido pasa a un intercambiador, que comprende medios de enfriamiento con el aceite térmico que a su vez calienta el primer intercambiador de calor. Los medios de salida de la fracción líquida se componen de una válvula de contrapresión, encargada de mantener y controlar la presión del proceso dentro de los intercambiadores y del reactor. De aquí el líquido se dirige a una torre de condensación, no representada en el dibujo presentado, donde se separan los gases del líquido. Los gases se dirigen a quemar a la caldera y el líquido se lleva a un tanque, de donde...

1. Método de transformación de biomasa lignocelulósica sólida en líquida, caracterizado por que comprende al menos las siguientes etapas:

- mezclar la biomasa molida, en una solución que

comprende: al menos un líquido solvente, al menos un catalizador, elegido entre uno bien ácido o básico,

en una concentración de biomasa en el líquido solvente entre el 10% y el 50% en peso;

-someter la mezcla a una temperatura comprendida entre 260ºC y 400ºC, incluidos ambos límites, y a una presión seleccionada entre 30 bar y 80 bar, incluidos ambos límites, hasta producirse una fracción líquida y gases de reacción,

-poner en contacto la mezcla con un catalizador de desoxigenación, en el reactor de presión,

-retirar y enfriar la biomasa líquida, y separarla de los gases de reacción.

- el tiempo de reacción una vez que se ha alcanzado la temperatura máxima está comprendido entre los 10 segundos y las 2 horas.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la biomasa está molida en un tamaño inferior a los 2 mm., incluido este límite superior.

3. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que la biomasa proviene de pellets, madera o residuos de madera que se han molido hasta la forma de serrín.

4. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la

concentración de biomasa en el líquido solvente está comprendido entre el 10% y el 50% en peso.

5. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el disolvente está seleccionado dentro del grupo compuesto por: trietilén glicol, tripropilén glicol, 2 Etil Hexanol, butil glicol, glicerina, etilén glicol, propilén glicol y cualquier combinación de los mismos.

6. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que el catalizador ácido o básico está seleccionado dentro del grupo compuesto por: hidróxido sódico, hidróxido potásico, hidróxido de calcio, carbonato sódico, carbonato de potasio, bicarbonato sódico, bicarbonato potásico, sulfato de hierro II, sulfato de níquel II, cloruro de aluminio, cloruro de hierro III y el cloruro de zinc, y cualquier combinación de los mismos.

7. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que el catalizador de desoxigenación es un catalizador metálico seleccionado dentro del grupo compuesto por: Níquel Raney (CAS 8049-31-8) , Cobre Raney (CAS 7440-50-8) y cualquier combinación de los mismos. Este catalizador se encuentra alojado dentro de una cesta metálica en el interior del reactor, fácilmente sustituible con la instalación parada.

8. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que la temperatura está comprendida entre 260ºC y 400ºC, incluidos ambos límites.

9. Método de acuerdo con una cualquiera de las

reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que el tiempo de reacción una vez que se ha alcanzado la temperatura máxima está comprendido entre los 10 segundos y las 2 horas.

10. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que la mezcla se somete a una presión comprendida entre 30 y 80 bar, incluidos ambos límites.

11. Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que una fracción del líquido resultante se reutiliza como líquido disolvente en la siguiente reacción.

12. Instalación de transformación de biomasa lignocelulósica sólida en líquida que comprende:

- un mezclador de la biomasa sólida con componentes de reacción;

-medios de alimentación mediante bombeo de la mezcla al interior del intercambiador 1, el cual comprende además medios de precalentamiento de la mezcla;

-medios de alimentación de la mezcla en el intercambiador 3 y éste dispone a su vez de medios de calentamiento hasta la temperatura de reacción;

-medios de alimentación de la mezcla en el reactor, éste dispone a su vez de medios de agitación, medios de control de presión de los gases y medios de alimentación de pellets en su interior;

- medios de salida de una fracción líquida y de una fracción gaseosa del reactor, su introducción en el intercambiador de calor 2 y medios de enfriamiento del líquido y los gases mezclados;

-medios de salida a través de la válvula 2 al exterior, donde se separarán los gases del líquido.

Figura 1