ES2554904T3

ES2554904T3 - Procedimiento para la conversión de biomasa de origen vegetal y proceso de combustión

Info

Publication number: ES2554904T3
Application number: ES11741698.2T
Authority: ES
Inventors: Dirk Jan Vos; Simon Rustenburg
Original assignee: Newfoss Holding BV
Current assignee: Newfoss Holding BV
Priority date: 2010-08-19
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2015-12-28
Anticipated expiration: 2031-08-11
Also published as: RU2625223C2; CA2806288C; RU2015108881A; US20130143287A1; WO2012023848A1; EP2606140A1; EP2606140B1; SI2606140T1; NL1038175C2; US20190120487A1; AU2011292493A1; AU2011292493A8; RU2013112004A; CA2806288A1; DK2606140T3; CN103124792B; RS54366B1; HUE026329T2; AU2011292493C1; BR112013002752A2

Abstract

Un procedimiento para la conversión de biomasa en un producto de biomasa, que es apropiado para su uso como combustible, en el que la biomasa es de origen vegetal y contiene microorganismos presentes de forma natural en la biomasa. Se trata de un procedimiento que comprende - la preparación de una suspensión mediante la dispersión de la biomasa que comprende los microorganismos presentes de forma natural en un líquido acuoso, - el mantenimiento de la suspensión en condiciones idóneas para la digestión aeróbica por los microorganismos a fin de obtener una suspensión que contiene el producto de biomasa como una fase sólida dispersa, y - que recupera el producto de biomasa, donde la recuperación comprende el lavado utilizando agua como líquido de lavado y el secado del producto de biomasa.

Description

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[0034] En relación con cada etapa de lavado, es posible separar el efluente a partir del producto de biomasa de una manera similar a la recuperación del producto de biomasa y el extracto de biomasa de la suspensión, como se ha descrito anteriormente en este documento, incluyendo los métodos de retirada del extracto de biomasa del producto de biomasa, como se ha descrito anteriormente. Los efluentes de una o más etapas del lavado, en particular, el efluente del primer lavado de múltiples etapas de lavado a contracorriente, pueden añadirse al extracto de biomasa. Alternativamente, pueden aplicarse los efluentes como el líquido acuoso, o como una parte del líquido acuoso.

[0035] El producto lavado de la biomasa puede secarse a fin de lograr un bajo contenido de humedad. Puede emplearse convenientemente una amplia gama de secadores, que operan a una temperatura alta o baja, de un modo continuo o por lotes; que aplican vacío o funcionan a sobrepresión, tal como un secador de vapor; o bien con la biomasa presente como un lecho apilado o como un lecho fluidizado. El secado puede llevarse a cabo, típicamente, a una temperatura máxima de 600 °C, más típicamente a 400 °C como máximo. Preferentemente, el secado puede llevarse a cabo a una temperatura en el intervalo de 25 °C a 600 °C, más típicamente entre 30 °C y 400 °C. Para conseguir una eficiencia energética, el equipo secador puede incluir la secadora, un sistema de calefacción para calentar el producto de la biomasa que entra en el secador, un condensador y un sistema de bomba de calor que recicla la energía que se ha liberado en el condensador al sistema de calefacción. El agua de condensación que se ha obtenido en la etapa de secado puede emplearse en otras partes del proceso, por ejemplo como líquido de lavado

o como parte del mismo, o como el líquido acuoso o como parte del mismo. Se ha descubierto que los gases residuales de la etapa de secado contienen pocos componentes malolientes y poco polvo, de modo que es posible manipularlos con facilidad, y son relativamente respetuosos con el medio ambiente. Por lo tanto, puede llevarse a cabo el secado, de forma alternativa, mediante la dispersión del producto de la biomasa en un campo expuesto a la intemperie, en particular para el secado al sol. Es una ventaja de esta invención que, si se desea, es posible dejar el producto de la biomasa en el campo durante un período prolongado de tiempo, por ejemplo durante semanas o incluso durante meses, extendido o amontonado, sin mostrar signos evidentes de podredumbre o generación de calor. Esto representa un método conveniente de almacenamiento al aire libre, como una alternativa atractiva al ensilaje.

[0036] El contenido de sólidos del producto de biomasa obtenido conforme a esta invención puede ser al menos un 25 % del peso, típicamente al menos un 50 % del peso, más típicamente al menos un 60 % del peso, preferiblemente al menos un 70 % del peso, más preferiblemente al menos un 80 % del peso, en particular al menos un 90 % del peso. En la práctica habitual de esta invención, el contenido de humedad del producto de biomasa puede ser como máximo el 99 % del peso, más frecuentemente como máximo el 95 % del peso. El contenido de humedad del producto de biomasa puede ser como máximo el 75 % del peso, típicamente como máximo el 50 % del peso, más típicamente como máximo el 40 % del peso, preferiblemente como máximo el 30 % del peso, más preferiblemente como máximo el 20 % del peso, en particular como máximo el 10 % del peso. En la práctica habitual de esta invención, el contenido de humedad del producto de biomasa puede ser como máximo el 1 % del peso, más frecuentemente como máximo el 5 % del peso. A lo largo del presente documento de patente, se define el contenido de humedad como el porcentaje de humedad en % del peso según la norma ISO 11722, y el contenido de materia sólida se define como el 100 % del peso menos el contenido de humedad.

[0037] El producto de biomasa obtenido conforme a la invención tiene un alto contenido de materiales lignocelulósicos. El producto de la biomasa tiene un bajo contenido de metales alcalinos, metales alcalinotérreos, nitrógeno, fosfatos, sulfato, cloruro, proteínas y sacáridos. Típicamente, el producto de la biomasa puede tener un contenido de potasio de hasta el 0,1 % del peso, más típicamente hasta el 0,05 % del peso, en particular hasta el 0,03 % del peso, con respecto al peso de la materia sólida. En la práctica habitual de esta invención, el contenido de potasio frecuentemente es al menos del 0,001 % del peso, más frecuentemente al menos del 0,005 % del peso, con respecto al peso de la materia sólida. Típicamente, la biomasa puede tener un contenido de cloruro de hasta el 0,1 % del peso, más típicamente hasta el 0,05 % del peso, en particular hasta el 0,03 % del peso, con respecto al peso de la materia sólida. En la práctica habitual de esta invención, el contenido de cloruro frecuentemente es al menos del 0,001 % del peso, más frecuentemente al menos del 0,005 % del peso, con respecto al peso de la materia sólida.

[0038] El producto de la biomasa es muy apropiado como combustible o material de inicio de procesos de combustión o de conversión, como la gasificación y la pirólisis, ya que tiene un bajo contenido de cenizas, una temperatura de fusión de las cenizas alta, una baja tendencia a causar corrosiones y una baja tendencia a producir emisiones de óxidos de nitrógeno y de azufre. El producto de la biomasa puede emplearse como tal, o junto con otro combustible o material de inicio.

[0039] Se ha descubierto que el producto de la biomasa tiene un alto valor calórico. Por ejemplo, sobre la base del peso de la hierba cortada, es posible generar más calor mediante la quema del producto de biomasa obtenido de la hierba cortada mediante el uso de la invención, que el calor que pueda generarse mediante la quema del metano obtenido por digestión anaeróbica (fermentación) de la hierba cortada, incluso incluyendo el calor que, además, pueda obtenerse mediante la quema del digestato coproducido en la fermentación.

[0040] El producto de la biomasa puede utilizarse como combustible, independientemente de su contenido de humedad y con independencia de si el producto de biomasa se ha secado, o no. Es decir, el agua presente en el producto de la biomasa puede evaporarse durante el proceso de secado o durante la combustión; esta es una elección

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que puede hacer un operador. Una opción respetuosa con el medio ambiente puede ser el secado del producto de la biomasa en el exterior, en particular el secado al sol, antes de su uso como combustible, ya que en este caso el calor de la evaporación del agua es suministrado por el sol y no será a expensas del calor obtenido en el proceso de combustión.

[0041] El producto de la biomasa obtenido conforme a la invención también es idóneo para su uso como material de partida en una digestión anaeróbica para la producción de gas metano. El producto de biomasa que se obtiene conforme a la invención es también idóneo para su uso, por ejemplo como material de relleno para plásticos, hormigón

o asfalto, o para la elaboración de un material en bloque para la construcción.

[0042] El extracto de la biomasa obtenido conforme a la invención puede tener un alto contenido de sales, tales como sales de metales alcalinos, sales de metales alcalinotérreos, lactatos y cloruros, y ácido láctico y compuestos orgánicos neutros, tales como sacáridos. También tiene un contenido relativamente alto de microorganismos. El extracto de biomasa tiene una estabilidad considerable y puede almacenarse durante largos períodos de tiempo, tales como semanas o meses. Si se quiere, se puede concentrar el extracto de biomasa quitándole agua. El agua puede eliminarse del extracto de biomasa, por ejemplo, por evaporación o por aplicación de ósmosis inversa. El agua obtenida de esta manera puede reciclarse, por ejemplo, para su uso como (una parte del) líquido acuoso, o para su uso como líquido de lavado.

[0043] Con o sin la eliminación previa del agua, tal y como se describe en el párrafo anterior, el extracto de biomasa puede ser sometido a un proceso de separación, como una filtración por membrana. El extracto de biomasa puede separarse, por una parte, en un efluente acuoso que incluya sales, como sales de metales alcalinos, sales de metales alcalinotérreos, lactatos y cloruros, y ácido láctico y, por otro lado, en un concentrado acuoso que incluya compuestos orgánicos neutros, tales como mono y disacáridos, y proteínas. El extracto de biomasa obtenido conforme a esta invención se comporta de forma favorable en las técnicas de separación por membrana, en términos de una baja colmatación de la membrana y largos periodos de funcionamiento del filtrado. El efluente acuoso o una parte del mismo, puede reciclarse convenientemente como una parte del líquido acuoso. Si se desea, puede retirarse el agua del efluente acuoso y/o el concentrado acuoso por los métodos descritos en el párrafo anterior, y, opcionalmente puede reciclarse, por ejemplo para su uso como (una parte del) líquido acuoso, o para su uso como líquido de lavado.

[0044] Los siguientes ejemplos de trabajo representan una ilustración adicional de la invención.

EJEMPLO 1 (conforme a la invención)

[0045] Se proporcionó un contenedor con unas dimensiones internas de 3 m x 2 m x 1,7 m (largo x ancho x alto), una base plana, rectangular y horizontal de hormigón, así como cuatro paredes planas, rectangulares y verticales de hormigón, y se colocó en su interior un tablón sólido de madera apoyado por bloques de madera colocados en la parte inferior a distancias regulares. El tablón se colocó de manera que se formó un canal abierto de drenaje (20 cm de ancho y 20 cm de profundidad) en un lado de la parte inferior en la dirección longitudinal del contenedor. El contenedor se cargó con 540 kg de hierba cortada (37 % en contenido de humedad por peso, que representan 200 kg de agua) y 940 kg de agua (una mezcla de agua de lluvia y agua del grifo) con un pH de 6,75, una conductividad eléctrica de 0,62 mS/cm, un índice de refracción de 0 °Brix y una temperatura de 9 °C. A fin de fomentar la obtención y el mantenimiento de una suspensión de la hierba en la fase líquida, se hace circular la fase líquida por bombeo a una velocidad de 5000 kg/h desde la parte inferior del canal de drenaje en una esquina del contenedor hacia la superficie superior de la mezcla de pasto y agua en la esquina opuesta del contenedor. Después de 1 hora, el pH de la fase líquida había alcanzado 6,6, el índice de refracción 1 °Brix, la conductividad eléctrica 4.6 mS/cm, la temperatura 9,5 °C. (A lo largo del presente documento de patente, los valores de pH, el índice de refracción y la conductividad eléctrica se consideran medidos a 20 °C). Se continuó la circulación de la fase líquida.

[0046] Al día siguiente, se repitió este procedimiento, produciendo un segundo lote de suspensión. Después de circular la fase líquida durante 168 horas, se combinaron los dos lotes, obteniendo el siguiente resultado: un total de unos 2960 kg de suspensión que consiste en unos 2280 kg de fase líquida y unos 680 kg de fase sólida, siendo la fase líquida un líquido un poco espumoso, claro y de color marrón oscuro, que tiene un olor agrio y fresco con las siguientes características: conductividad eléctrica de 4,8 mS/cm, pH 6,6, refracción 1 °Brix, temperatura 9 °C.

[0047] Después se detuvo la circulación de la fase líquida y, en cambio, se bombeó la fase líquida a un contenedor separado de un tamaño similar. De esta manera aproximadamente el 45 % del peso de la fase líquida podría estar separado de la suspensión, produciendo aproximadamente 1350 kg de una primera partida del extracto de biomasa.

[0048] Se colocó en el contenedor una bolsa de caucho y fibra de nylon revestida de dimensiones tales que la bolsa se ajuste a las dimensiones horizontales internas del contenedor, cubriendo la suspensión. Luego se llenó la bolsa con agua del grifo y se cerró. La altura de la columna de agua en el interior de la bolsa fue de 50 cm. Una segunda bolsa de dimensiones similares se colocó encima de la primera bolsa y se llenó con agua del grifo hasta que la altura de la columna de agua dentro de la segunda bolsa fue de 50 cm. Se drenó una fase líquida adicional mediante el bombeo desde debajo del canal de drenaje. De esta manera se obtuvieron aproximadamente 500 kg de una segunda partida de extracto de biomasa.

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[0049] Después se lavó el producto de biomasa que se quedó en el contenedor. Con este propósito, se volvió a dispersar el producto de la biomasa en 1000 kg de agua del grifo y se drenó la fase líquida que se había obtenido de esta forma (1000 kg) mediante el bombeo por debajo del canal de drenaje con las dos bolsas llenas de agua que todavía seguían ahí. El lavado se repitió dos veces. Los efluentes del lavado se combinaron y se almacenaron para su uso en el Ejemplo 2, más adelante.

[0050] Muestras de 10 kg del producto de biomasa lavada se transfirieron a una prensa hidráulica de jugo llenando el cilindro de la prensa y se sometieron a presión. En cada prensado, se aumentó la presión dentro de la prensa en 2 minutos de 0,1 MPa a 5 MPa, mientras que el jugo prensado se drenó y se recogió. Tras el prensado, el producto de biomasa tenía un contenido de humedad del 47 % del peso. El peso de cada uno de los bloques del producto de biomasa obtenida fue de aproximadamente de 5 kg.

[0051] Los bloques de productos de biomasa fueron cargados en contenedores abiertos (1,5 m de longitud, 1 m de ancho, 1 m de altura), cada contenedor tenía como fondo una paleta de madera y como paredes laterales, cuatro mallas de alambre sujetas por un marco de metal. Las mallas de alambre tenían aberturas de 10 cm x 10 cm para el paso de aire de secado. Los recipientes abiertos no tenían cubierta. Los recipientes abiertos, llenos de bloques de producto de biomasa, se colocaron en un horno de secado en una pila de tres capas de dos por tres contenedores abiertos cada una. El horno de secado se accionó como una secadora de condensación a temperaturas de 45 - 65 °C, durante 96 horas. Después del secado, el producto de biomasa tenía un contenido de humedad del 10 % del peso.

[0052] La primera partida del extracto de biomasa se procesó mediante una instalación de filtro de membrana provista con membranas de polímero para nanofiltración enrolladas en espiral, disponibles en el mercado y bujías filtrantes protectoras posicionadas en sentido contrario a la corriente con respecto a las membranas. La instalación del filtro de membrana se accionó a 2,5 MPa (25 bar) y a una velocidad de 200 kg/h, con una producción de 70 - 100 kg/h de permeado y de 100-130 kg/h de concentrado. Durante la operación, el concentrado fue reciclado en el contenedor que incluye el extracto de la biomasa, y el permeado se recogió en otro contenedor similar. En consecuencia, el concentrado se volvió cada vez más concentrado, principalmente en proteínas, mono- y disacáridos, y adquirió un color marrón más oscuro y turbio. El permeado, que incluye cloruros, nitratos y otras sales y ácido láctico, tenía una apariencia de agua clara.

[0053] Durante el proceso de nanofiltración, la temperatura del concentrado aumenta lentamente desde aproximadamente 10 °C a aproximadamente 40 °C, provocado por el suministro de energía a los equipos de bombeo de la instalación de filtro de membrana. La temperatura más alta dio lugar a un aumento del 200 % de la capacidad de filtración del proceso. La filtración de membrana se manifestó como un proceso muy eficiente para la eliminación de sales y ácido láctico a partir del extracto de biomasa y para la concentración del extracto de biomasa. Es destacable que el proceso de nanofiltración podría desarrollarse con tiempos de ejecución largos y, sin un prefiltrado que no sea mediante la aplicación de bujías de filtrado, sin ensuciamiento significativo de las bujías de filtrado y las membranas.

[0054] El permeado se concentró mediante la eliminación de agua mediante ósmosis inversa aplicando una presión de 7 MPa.

[0055] La primera partida de extracto de biomasa, el concentrado obtenido al final del proceso de nanofiltración y los permeados obtenidos al inicio y al final del proceso de nanofiltración se analizaron (véase la Tabla I, a continuación, "DQO" significa demanda química de oxígeno). Los resultados representados en la Tabla I son indicativos de un factor de concentración de 15-20 para el concentrado, con respecto al extracto de la biomasa, y de la presencia de cloruro de potasio a altas concentraciones en el permeado.

Tabla I

Conductividad eléctrica (mS/cm): pH Densidad d20 (g/o Refracción (°Brix) Contendido de KCI (g/1) DQO (g/l) Materia seca (% del peso)

Extracto de biomasa: 6,52 3,83 1,002 1 - 6,5-7,5 -

Concentrado: 104 4,4 1,072 17 - 140-150 19,5

Permeado al inicio: 2,3 3,9 - 0 1,0-1,25 - -

Permeado al final: 11 3,7 - 1 15,0-20,0 - -

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Claims

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