ES2360332A1 - Procedimiento y aparato para el pre-tratamiento de biomasa. - Google Patents
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Abstract
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.
Description
Procedimiento y aparato para el
pre-tratamiento de biomasa.
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.
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.
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.
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.
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.
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 y desde H2 a H3 enfriado 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).
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 a una temperatura comprendida entre 150 y
175ºC y durante un tiempo predeterminado.
De acuerdo con esta realización particular de la
invención, el procedimiento comprende además una explosión de vapor
de la biomasa termohidrolizada en la etapa c), que tiene lugar en un
tanque flash F1. Esta etapa disminuye aún más el tamaño de las
partículas de la biomasa termohidrolizada y sirve para generar calor
que se utiliza en la etapa a). Entre la termohidrólisis y la
explosión de vapor, la presión de la biomasa termohidrolizada se
disminuye hasta presión atmosférica. Para ello la instalación está
provista de una válvula presurizada. La biomasa entra en el tanque
flash F1 de forma radial, y la bajada de presión causa la
evaporación de gran cantidad de agua de la biomasa. Se genera así
vapor de agua que se conduce a 100ºC de temperatura al
intercambiador H1 para su utilización. En este sentido la
combinación de H1 y F1 permite recuperar gran cantidad de energía.
La biomasa se impulsa hasta el intercambiador H4 del que sale a 40ºC
para su posterior tratamiento biológico en un tanque adecuado. Para
este último intercambio se utiliza agua de enfriamiento de la red de
agua de la instalación.
El procedimiento de la invención permite la
recuperación de un porcentaje comprendido entre 70 y 76% de la
energía utilizada para la termohidrólisis de dicha materia orgánica.
Además el procedimiento de la invención se basa en un calentamiento
indirecto utilizando intercambiadores de calor, de los que al menos
uno de ellos es de superficie rascada, lo cual permite su puesta en
práctica en continuo. El procedimiento no utiliza ni aditivos
químicos y ni necesita de la aportación de agua adicional. En este
sentido el contenido en agua de la biomasa se mantiene, de modo que
entra la misma cantidad de agua que la que se obtiene.
Otro objeto de la presente invención se refiere
a una instalación adecuada para llevar a cabo el procedimiento de la
invención, que comprende, al menos, un intercambiador de superficie
rascada, y una combinación de determinados elementos, tal y como se
detalla a continuación, en referencia a las Figuras 1 y 2, que
permiten obtener un balance energético elevado en el procedimiento
de la invención.
La instalación, en adelante instalación de la
invención, comprende entre otros elementos medios para alimentar la
biomasa; al menos una bomba (1) que impulsa la biomasa a lo largo de
la instalación, así como medios para controlar y mantener la
velocidad de bombeo, una válvula presurizadora (2) para mantener la
presión adecuada para llevar a cabo el procedimiento de la
invención; un tanque (3) para el producto obtenido pretratado; y
medios para medir y controlar las temperaturas.
La instalación de la invención comprende una
zona de mantenimiento M1 donde tiene lugar la termohidrólisis a
elevada temperatura y presión. Esta zona en una realización
particular es un serpentín largo por el que la biomasa se mantiene
un tiempo determinado circulando.
La instalación de la invención comprende
asimismo al menos un intercambiador de superficie rascada, para la
zona en la que la biomasa se encuentra a temperaturas elevadas de
entre 150 y 175ºC y que evita el ensuciamiento. Este intercambiador
puede adquirirse de forma comercial (Unicus ® HRS).
En una realización particular la instalación de
la invención, que aparece representada en la Figura 1, comprende en
serie los siguientes elementos:
- (i)
- un intercambiador H1;
- (ii)
- un intercambiador de superficie rascada H2;
- (iii)
- una zona de mantenimiento M1;
- (iv)
- un intercambiador de superficie rascada H4; y
- (v)
- un intercambiador H5.
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. El agua enfriada se
encuentra a 40ºC aproximadamente y el agua caliente 130ºC.
El intercambiador de superficie rascada H2 se
encuentra conectado en una realización particular a un
intercambiador H3 de tipo convencional multitubular, mediante medios
que transportan aceite térmico caliente a una temperatura aproximada
de 230ºC hacia H2, y medios que permiten el retorno de dicho aceite
térmico enfriado a una temperatura de aproximadamente 210ºC. El
calor necesario para el calentamiento del aceite térmico proviene de
gases de escape de algún punto de la instalación. En una realización
alternativa, en lugar de H3 se utiliza vapor de una caldera.
La biomasa sale de H2 a elevada temperatura,
comprendida entre 150 y 175ºC, entra en la zona de mantenimiento MI
donde se lleva a cabo la termohidrólisis, y a continuación, entra en
el intercambiador de superficie rascada H4 donde se intercambia
calor con H1, de modo que la biomasa termohidrolizada sale de H4 a
una temperatura de aproximadamente 60ºC.
A continuación, en el intercambiador H5 que
utiliza agua de enfriamiento procedente de la red de agua de la
instalación se enfría la biomasa hidrolizada hasta 40ºC y se lleva a
un tanque para su tratamiento biológico poste-
rior.
rior.
En esta realización particular H1 y H5 son
intercambiadores convencionales de tubo en tubo, y H2 y H4 de
superficie rascada. Además la instalación está provista de medios
para mantener una presión comprendida entre 6 y 8 bar dentro de la
zona de la instalación donde la biomasa se encuentra a elevado
temperatura, es decir desde el intercambiador H2 al intercambiador
H4 ambos inclusive.
En otra realización particular la instalación de
la invención (Figura 2) para llevar a cabo el procedimiento de la
invención comprende los siguientes elementos en serie:
- (i)
- un intercambiador H1;
- (ii)
- un intercambiador de superficie rascada H2;
- (iii)
- una zona de mantenimiento M1;
- (iv)
- un tanque flash F1; y
- (v)
- un intercambiador H4.
La instalación comprende medios para transportar
vapor de agua generado a 100ºC en el tanque flash F1 al
intercambiador H1 donde dicho calor se utiliza para calentar la
biomasa, que entra a 20ºC aproximadamente, hasta una temperatura
típicamente de 70ºC.
La biomasa se conduce a un intercambiador de
superficie rascada H2 que se encuentra conectado, en una realización
particular, a un intercambiador H3 de tipo convencional
multitubular, mediante medios que transportan aceite térmico
caliente a una temperatura aproximada de 230ºC hacia H2, y medios
que permiten el retorno de dicho aceite térmico enfriado a una
temperatura de aproximadamente 210ºC. El calor necesario para el
calentamiento del aceite térmico proviene de gases de escape de
algún punto de la instalación. En una realización alternativa, en
lugar de H3 se utiliza vapor de una caldera.
La biomasa sale de H2 a una temperatura de entre
150 y 175ºC y entra en la zona de mantenimiento MI donde se lleva a
cabo la termohidrólisis. La biomasa, que sale a presión de entre 6 y
8 bar de M1, entra en un tanque flash F1 a presión atmosférica
gracias a una válvula despresurizada situada entre M1 y F1. En F1
tiene lugar la explosión de vapor, generándose vapor de agua que
sale a 100ºC hacia el intercambiador H1 y que se utiliza para
calentar la biomasa en H1 recuperándose energía. De F1 sale la
biomasa termihidrolizada a 100ºC que es impulsada hacia el
intercambiador H4 mediante una bomba.
El intercambiador H4 utiliza agua de
enfriamiento procedente de la red de agua de la instalación para
enfriar la biomasa hidrolizada. En H4 la biomasa termohidrolizada se
enfría y sale a 40ºC hacia un tanque donde se puede llevar a cabo el
tratamiento biológico.
La instalación, como se ha mencionado
anteriormente, está provista de una válvula presurizadora 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.
Claims (15)
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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:
- (i)
- un intercambiador H1;
- (ii)
- un intercambiador de superficie rascada H2;
- (iii)
- una zona de mantenimiento M1;
- (iv)
- un intercambiador de superficie rascada H4; y
- (v)
- un intercambiador H5.
- 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:
- (i)
- un intercambiador H1;
- (ii)
- un intercambiador de superficie rascada H2;
- (iii)
- una zona de mantenimiento M1;
- (iv)
- un tanque flash F1; y
- (v)
- un intercambiador H4.
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- 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.
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