Generación de productos sustitutos de hidrocarburos a partir de biomasa lignocelulósica residual

Abstract

En el marco del creciente interés y necesidad de utilización de la biomasa residual de procesos productivos como solución a su impacto ambiental negativo y para aprovechar su gran potencial como fuente renovable de energía y de productos finales, por vía de procesos termoquímicos como gasificación y pirólisis, en el Grupo de Investigaciones en Aplicaciones Catalíticas (GIAC), perteneciente al INCAPE, se trabaja en la generación de energía a partir de biomasa desde 2007, teniendo como líneas principales la gasificación y la pirólisis. Se han generado numerosos antecedentes sobre este tema, que incluyen estudios con biomasas lignocelulósicas residuales o de especies invasivas de distinto origen (más de 30 tipos estudiados, incluyendo aserrines de maderas, residuos de cosechas, cáscaras de cereales y más recientemente estiércol vacuno). Las investigaciones involucraron el diseño, la construcción y la puesta a punto de tres reactores de laboratorio (uno de pirolisis convencional, uno de pirolisis rápida y otro que permite el upgrading catalítico inmediato de los vapores generados). Recientemente se incorporó un gasificador de tiro descendente (downdraft) a escala piloto, fabricado íntegramente en INCAPE, que permite obtener ?gas pobre?, que puede quemarse en motores de combustión interna para generar energía mecánica y eléctrica o puede emplearse para alimentar turbinas de gas y, dada su alta temperatura, también podría usarse como fluido de intercambio calórico.Subsidiariamente a la exploración de biomasas vegetales para generación de energía y productos químicos, y dado que tratamiento y disposición de los residuos animales generados en las explotaciones ganaderas de crianza intensiva (feedlots) representa un gran problema ambiental y económico, en los últimos años se incursionó en la pirólisis de este residuo.Además, pueden definirse tres segmentos de trabajo que involucran la valorización de las corrientes de productos líquidos generadas en los procesos termoquímicos de conversión de biomasa (bio-oils): a) el co-procesamiento de los bio-oils y sus fracciones (acuosa y tar) en el FCC; b) el uso de tar pirólitico y alquitrán de gasificación como ligantes en mezclas asfálticas; y c) la recuperación de compuestos químicos a partir de bio-oils y sus fracciones. En todas, el grupo registra resultados de investigaciones, con carácter aplicado, que han producido importantes contribuciones. a) Co-procesamiento de alimentaciones renovables en el FCC Se desarrollaron trabajos sobre el pre-tratamiento térmico de los bio-oils de diferentes biomasas con el objetivo de mejorar sus características de procesabilidad (separar precursores de coque y aumentar su Índice Efectivo de Hidrógeno) en unidades de craqueo catalítico (FCC) de las refinerías.Estudios posteriores de conversión sobre catalizadores comerciales equilibrados en planta de FCC y bajo condiciones típicas del proceso industrial, permitieron dilucidar aspectos fundamentales del proceso, concluyéndose que es posible obtener hidrocarburos a partir de los bio-oils, y que el tratamiento térmico previo es positivo, mejorando el grado de desoxigenación que se alcanza (hasta 95 %), y disminuyendo la producción de coque. Esto último representa un aspecto central al tener en cuenta al momento de considerar el co-procesamiento, debido al delicado balance de energía que rige el funcionamiento de las unidades de FCC en las refinerías. La conversión de los bio-oils generó principalmente olefinas C4- e hidrocarburos en el rango de la gasolina. Para estos estudios se utilizaron dos tipos de reactores: uno de lecho fijo (MAT-MicroActivity Test) y un Simulador de Riser CREC, siendo este último el que reproduce más fielmente las condiciones reales del proceso industrial.En apoyo de la afirmación de que puede co-procesarse bio-oil en refinerías, es de mencionar que los estudios propios demuestran que el grado de desoxigenación del bio-oil es suficiente como para no generar impacto negativo sobre los productos principales del FCC, y que la cantidad de coque que puede formar el bio-oil al ser co-procesado, especialmente si es tratado térmicamente de manera previa, no representa inconvenientes para la operación comercial, al igual que el agua que se agrega como parte del bio-oil al sistema. Se realizaron (y realizan) estudios de co-procesamiento de bio-oils con Gas Oil de Vacío (VGO, alimentación tradicional del FCC) utilizando catalizadores comerciales equilibrados en refinería, con lo que se intenta dilucidar aspectos centrales sobre el co-procesamiento tales como qué tipos de catalizadores comerciales son más adecuados y qué grado de optimización puede lograrse con ellos, así como la máxima concentración de bio-oil factible de utilizarse en función del catalizador y de la biomasa de origen. Paralelamente, se están desarrollando estudios sobre el impacto de las reacciones de transferencia de hidrógeno (las principales generadoras de coque) desde los hidrocarburos de la alimentación fósil y los compuestos oxigenados del bio-oil.Como parte del estudio sobre la eficiencia de los catalizadores de FCC para convertir bio-oils, se modificaron zeolitas Y mediante tratamiento de desilicación alcalina, y con ellas se formularon prototipos de catalizadores de FCC que fueron evaluados en la conversión de bio-oils y tars. La mesoporosidad intracristalina generada incidió claramente de modo positivo en favorecer la difusión de las moléculas más voluminosas dentro de los bio-oils y los tars, produciendo mayor desoxigenación y mayor producción de hidrocarburos. Continuando con esta investigación, se revalorizaron catalizadores agotados de FCC mediante tratamientos de lixiviación en medios ácido y alcalino, con lo que se mejoró su performance en el upgrading de los líquidos de pirolisis derivados de aserrín de madera y de estiércol vacuno, respecto de los catalizadores comerciales equilibrados. b) Uso de tar pirólitico y alquitrán de gasificación como ligantes en mezclas asfáticas Esta línea comprende la incorporación de los componentes de mayor viscosidad y densidad en los líquidos de pirólisis (tar) y de los alquitranes de gasificación de biomasa a las mezclas asfálticas convencionales, como también los procesos de envejecimiento de tales bio-asfaltos. El tar puede destinarse a los ligantes asfálticos convencionales sustituyendo recursos fósiles y habilitando a que los mismos puedan ser procesados en refinerías hacia productos de mayor valor mediante procesos de conversión térmica como el delayed coking. c) Recuperación de compuestos químicos a partir de bio-oils La obtención de productos valiosos a partir de bio-oils también es un tema de investigación en el grupo, derivado de los trabajos ya mencionados con pirólisis de diversas biomasas residuales, en los que pudo apreciarse que en algunos casos se observan altas concentraciones de compuestos individuales o de grupos de compuestos en los líquidos obtenidos, que habilitan a investigar la posibilidad de separación de los mismos. Hasta el momento, se ha logrado concentrar hasta 72 %p el fenol contenido en bio-oil derivado de cáscara de arroz combinando técnicas de extracción líquido-líquido con destilación al vacío, y se estudia la producción de acetatos a partir de diferentes bio-oils por vía de reacciones de esterificación.