MX2009000699A - Metodo para suspension de biomasa-agua con densidad de energia elevada. - Google Patents

Abstract

Un procedimiento eficiente de energía para convertir la biomasa en una suspensión con densidad de energía elevada con contenido de carbono elevado; el agua y la biomasa se mezclan a una temperatura y bajo una presión que es mucho menor a los procedimientos anteriores, pero bajo un gas no oxidativo, que permite que se obtenga una suspensión estable que contiene hasta 60% de sólidos en peso, 20-40% de carbono en peso, en la suspensión; la temperatura es nominalmente de aproximadamente 200ºC bajo presión de gas no oxidativo de alrededor de 10.54 kg/cm2, condiciones que son sustancialmente menos severas que las que se requieren por la técnica anterior.

Description

METODO PARA SUSPENSION DE BIOMASA-AGUA CON DENSIDAD DE ENERGIA ELEVADA REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud es una continuación en parte de, y reclama el beneficio de la Solicitud de Patente con Número de Serie 11/489,299 presentada el 18 de Julio del 2006.

CAMPO DE LA INVENCION El campo de la invención es la síntesis de combustible de transporte a partir de materiales de abastecimiento carbonosos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION Existe la necesidad de identificar nuevas fuentes de energía química y métodos para su conversión en combustibles de transporte alternativos, impulsadas por muchas preocupaciones que incluyen temas ambientales, de salud, seguridad, y la escasez futura inevitable de suministros de combustible a base de petróleo. El número de vehículos alimentados de combustible con motor de combustión interna a nivel mundial continúa creciendo, particularmente en la gama intermedia de países en vías de desarrollo. El parque automotor mundial fuera de Estados Unidos, que utiliza principalmente combustible diesel, se encuentra creciendo más rápido que en el interior de Estados Unidos. Esta situación puede cambiar mientras más vehículos que aprovechan el uso de combustible, utilizando tecnologías de motor híbrido y/o diesel, se introduzcan para reducir tanto el consumo de combustible como las emisiones totales. Ya que los recursos para la producción de combustibles a base de petróleo se están agotando, la dependencia del petróleo será un problema mayor a menos que se desarrollen combustibles alternativos sin petróleo, en particular combustibles diesel sintéticos de combustión limpia. Además, la combustión normal de combustibles a base de petróleo en motores convencionales puede provocar contaminación ambiental seria a menos que se utilicen métodos estrictos de control de emisión de escape. Un combustible diesel sintético de combustión limpia puede ayudar a reducir las emisiones de motores diesel. La producción de combustibles de transporte de combustión limpia requiere la reformulación de combustibles a base de petróleo existentes o el descubrimiento de nuevos métodos para producción de energía o síntesis de combustible a partir de materiales no utilizados. Existen muchas fuentes disponibles, derivadas de materiales carbonosos de desecho u orgánicos renovables. El uso de desechos carbonosos para producir combustibles sintéticos es un método económicamente viable ya que el material de abastecimiento de entrada ya se considera de poco valor, se descarga como desecho, y su eliminación con frecuencia contamina.

Los combustibles de transporte líquidos tienen ventajas inherentes sobre los combustibles gaseosos, que tienen densidades de energía superiores que los combustibles gaseosos a la misma presión y temperatura. Los combustibles líquidos pueden almacenarse a presiones bajas o atmosféricas mientras que para lograr densidades de energía de combustible líquido, un combustible gaseoso debe ser almacenado en un tanque en un vehículo a altas presiones lo cual puede ser una preocupación de seguridad en el caso de derrames o ruptura repentina. La distribución de combustibles líquidos es mucho más fácil que los combustibles gaseosos, utilizando simples bombas y tuberías. La infraestructura de alimentación de combustible líquido del sector de transporte existente asegura una integración fácil en el mercado existente de cualquier producción de combustibles de transporte líquido sintético de combustión limpia. La disponibilidad de combustibles de transporte líquido de combustión limpia es una prioridad nacional. La producción de gas de síntesis (que es una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono) limpiamente y eficientemente de fuentes carbonosas, que pueden someterse a un procedimiento tipo Fischer-Tropsch para producir gasolina sintética limpia y valiosa y combustibles diesel, beneficiará al sector de transporte y la salud de la sociedad. Un procedimiento tipo Fischer-Tropsch o reactor, que se define en la presente por incluir respectivamente un procedimiento Fischer-Tropsch o reactor, es cualquier procedimiento o reactor que utiliza gas de síntesis para producir un combustible líquido. De igual manera, un combustible líquido tipo Fischer-Tropsch es un combustible producido mediante dicho procedimiento o reactor. Un procedimiento Fischer-Tropsch permite la aplicación de métodos actuales de tratamiento posterior del escape del motor con tecnología de punta para reducción de NOx, remoción de partículas tóxicas presentes en el escape del motor diesel, y la reducción de contaminantes de productos de combustión normales, que se logra actualmente por catalizadores que se envenenan rápidamente por cualquier azufre presente, como es el caso de materiales ordinarios de combustible diesel derivado de petróleo, que reduce la eficiencia del catalizador. Típicamente, los combustibles líquidos tipo Fischer-Tropsch producidos a partir de gas de síntesis derivado de biomasa, se encuentran libres de azufre, libres de aroma, y en el caso de combustible diesel sintético tienen un valor de cetano ultra elevado. El material de biomasa es el material de abastecimiento de desecho carbonoso más comúnmente procesado utilizado para producir combustibles renovables. Los materiales de abastecimiento de biomasa pueden convertirse para producir electricidad, calor, químicos valiosos o combustibles. California supera a la nación en el uso y desarrollo de varias tecnologías de utilización de biomasa. Por ejemplo, solamente en el condado de Riverside, área de California, se estima que aproximadamente 4000 toneladas de madera de desecho se desecha por día. De acuerdo con otros estimados, más de 100,000 toneladas de biomasa por día se vacían en basureros en el área de recolección del condado de Riverside. Este desecho comprende aproximadamente 30% del papel o cartón de desecho, 40% de desecho orgánico (verduras y alimentos) y 30% de combinaciones de madera, papel, plástico y desechos de metal. Los componentes carbonosos de este material de desecho tienen energía química que puede utilizarse para reducir la necesidad de otras fuentes de energía si se pueden convertir en un combustible de combustión limpia. Esas fuentes de desecho de material carbonoso no son las únicas fuentes disponibles. Aunque muchos materiales de desecho carbonosos existentes, tal como papel, pueden clasificarse, utilizarse y reciclarse, para otros materiales, el productor de desecho no necesita pagar una cuota de vaciado, si el desecho no se entrega directamente a una instalación de conversión. Una cuota de vaciado, en la actualidad $30-$35 por tonelada, generalmente se carga por la agencia de manejo de desechos para compensar los costos de eliminación. Como consecuencia, no sólo los costos de eliminación pueden reducirse al transportar el desecho a plantas de procesamiento de desecho a combustible sintético, sino un desecho adicional puede hacerse disponible debido al costo reducido de eliminación. La quema de madera en un horno de madera es un ejemplo simple del uso de biomasa para producir energía térmica. Lamentablemente, la quema abierta del desecho de biomasa para obtener energía y calor no es un método limpio y eficiente para utilizar el valor calorífico. En la actualidad, se han descubierto muchas nuevas formas de utilizar desecho carbonoso. Por ejemplo, una manera es producir combustibles de transporte líquidos sintéticos, y otra manera es producir gas energético para conversión en electricidad. El uso de combustibles de fuentes de biomasa renovables puede disminuir realmente la acumulación neta de gases de efecto invernadero, tal como dióxido de carbono, aunque proporciona energía limpia y eficiente para transporte. Uno de los beneficios principales de la co-producción de combustibles líquidos sintéticos de fuentes de biomasa es que puede proporcionar combustible de transporte almacenable mientras reduce los efectos de gases de efecto invernadero que contribuyen al calentamiento global. En el futuro, estos procedimientos de co-producción pueden proporcionar combustibles de combustión limpia para economía de combustible renovable que puede sostenerse continuamente. Existe un número de procedimientos para convertir la hulla y otros materiales carbonosos en combustibles de transporte de combustión limpia, pero tienden a ser demasiado costosos para competir en el mercado con combustibles a base de petróleo o producen combustibles volátiles, tal como metanol y etanol que tienen valores de presión de vapor demasiado elevados para utilizarse en áreas de contaminación elevada, tal como la cuenca de aire del sur de California, sin exención legislativa de reglamentos de aire limpio. Un ejemplo del último procedimiento es el procedimiento de Hynol Methanol, que utiliza hidro-gasificación y reactores reformadores de vapor para sintetizar metanol utilizando una co-alimentación de materiales carbonosos sólidos y gas natural, y que tiene una eficiencia de conversión de carbono demostrada de >85% en demostraciones a escala de laboratorio. De interés particular para la presente invención son los procedimientos desarrollados más recientemente en donde una suspensión de material carbonoso se alimenta en un reactor hidro-gasificador. Dicho procedimiento se desarrolló en los laboratorios para producir gas de síntesis en donde una suspensión de partículas de material carbonoso en agua, e hidrógeno de una fuente interna, se alimentan en un reactor de hidro-gasificación bajo condiciones para generar gas de aire rico. Este se alimenta junto con vapor en un reformador pirolítico de vapor bajo condiciones que generan gas de síntesis. Este procedimiento se describe a detalle en Norbeck et al., solicitud de patente de E.U.A. No de serie 10/503,435 (publicada como US 2005/0256212), titulada: "Production Of Synthetic Transportation Fuels From Carbonaceous Material Using Self-Sustained Hydro Gasification." En una versión adicional del procedimiento, al utilizar un reactor de hidro-gasificación de vapor (SHR) el material carbonoso se calienta simultáneamente en presencia de hidrógeno y vapor para sufrir pirólisis de vapor e hidro-gasificación en un sólo paso. Este procedimiento se describe a detalle en Norbeck et al., solicitud de patente de E.U.A. No de serie 10/911 ,348 (publicada como US 2005/0032920) titulada: "Steam Pyrolysis As A Process to Enhance The Hydro-Gasification Carbonaceous Material." Las descripciones de la solicitud de patente de E.U.A. Nos. de serie 10/503,435 y 10/911 ,348 se incorporan en la presente por referencia.

Todos estos procedimientos requieren la formación de una suspensión de biomasa que puede alimentarse al reactor de hidro-gasificación. Para mejorar la eficiencia de la conversión química que se lleva a cabo en estos procedimientos, se desea tener una relación de agua a carbono inferior, por lo tanto una suspensión con densidad de energía elevada que también haga a la suspensión más bombeable. Las suspensiones de hulla/agua con alto contenido de sólidos se han utilizado exitosamente en gasificadores de hulla en los sistemas de alimentación de reactores presurizados. Una diferencia importante entre las suspensiones de hulla/agua y las suspensiones de biomasa/agua es que las suspensiones de hulla contienen hasta 70% de sólidos en peso en comparación con aproximadamente 20% de sólidos en peso en las suspensiones de biomasa. Comparando el contenido de carbono, las suspensiones de hulla contienen hasta aproximadamente 50% de carbono en peso en comparación con aproximadamente 8-10% de carbono en peso en suspensiones de biomasa. La estructura polimérica si las paredes de la celda de la biomasa consisten principalmente de celulosa, hemicelulosa y lignina. Todos estos componentes contienen grupos hidroxilo. Estos grupos hidroxilo juegan un papel importante en la interacción entre el agua y la biomasa, en donde las moléculas de agua se absorben para formar un enlace de hidrógeno. Esta higroscopicidad elevada de biomasa generalmente es por lo que las suspensiones de biomasa no se producen fácilmente con un contenido de carbono elevado.

Se ha desarrollado un número de procedimientos para producir suspensiones con alto contenido de carbono para su uso como material de abastecimiento para un hidro-gasificador. La corporación JGC en Japón desarrolló el procedimiento de combustible de suspensión de biomasa, que sin embargo debe llevarse a cabo en condiciones semi-críticas, con una temperatura de 310°C y a una presión de 154.66 kg/cm2. El procedimiento convierte la biomasa con alto contenido de agua en una suspensión acuosa que tiene un contenido de sólidos de aproximadamente 70%, que es el mismo nivel que la suspensión de hulla/agua. Sin embargo, debe llevarse a cabo bajo condiciones de energía elevada. Los investigadores de Texaco desarrollaron un procedimiento de pre-tratamiento hidrotérmico para sedimentos de aguas residuales municipales que implica el calentamiento de la suspensión a 350°C seguido por una evaporación instantánea de dos etapas, de nueva cuenta requiriendo condiciones de energía elevadas. Tradicionalmente, el tratamiento térmico de madera es una tecnología bien conocida en la industria de la leña para mejorar la propiedad estructural de la madera, pero no para preparar una suspensión. Este disminuye la higroscopicidad e incrementa la durabilidad de la leña para construcción. Las cadenas poliméricas se segmentan en tratamiento térmico, y se reducen los grupos hidroxilo accesibles conduciendo a una interacción limitada con agua en comparación con la madera no tratada.

La licuación acuosos de muestras de biomasa se ha llevado a cabo en un autoclave en la escala de temperatura de reacción de aproximadamente 277-377°C a aproximadamente 50.96 - 203.87 kg/cm2, para obtener aceites pesados más que suspensiones, lo cual se ejemplifica por la licuación de polvo de madera de abeto a aproximadamente 377°C para obtener un rendimiento líquido al 49% de aceite pesado. Véase A. Demirbas, "Thermochemical Conversión of biomasa to Liquid Products ¡n the Aqueous Médium", Energy Sources, 27:1235-1243,2005. Existe la necesidad de un método para concentrar la biomasa para producir una suspensión que no requiera condiciones severas de drenaje de energía de los procedimientos anteriores.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION La presente invención proporciona un procedimiento eficiente de energía para convertir la biomasa en una suspensión con densidad de energía elevada con contenido de carbono elevado. En particular, el agua y la biomasa se mezclan a una temperatura y bajo una presión que son mucho menores a las utilizas en los procedimientos anteriores, pero bajo nitrógeno, lo cual permite que se obtenga una suspensión estable que contiene hasta 60% de sólidos en peso, para proporcionar 20-40% por ciento de carbono en peso en la suspensión. Aunque las escalas se darán en la descripción detallada, la temperatura nominalmente es de aproximadamente 200°C bajo presión de gas no oxidativa de aproximadamente 10.54 kg/cm2, condiciones que son sustancialmente menos severas que las que se requirieron por la técnica anterior.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Para un entendimiento más completo de la presente invención, ahora se hace referencia a la siguiente descripción tomada en conjunto con los dibujos anexos, en donde; la figura 1 es un fotografía de un 50% en peso de una mezcla de biomasa agua antes del tratamiento con la invención; y la figura 2 es una fotografía de la mezcla de biomasa agua de la figura 1 después del tratamiento con la invención.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION El término "biomasa" como se utiliza en la presente se refiere ampliamente al material que es, o se obtiene de, productos agrícolas, madera y otros materiales de plantas, y/o vegetación, y sus desechos. La biomasa se mezcla con agua en un porcentaje en peso deseado, generalmente de 30 a 70% en peso aunque a una temperatura en la escala de 170 a 250°C, más preferiblemente de alrededor de 200°C, bajo presión de gas no oxidativa de 7.03 a 28.12 kg/cm2, más preferiblemente de alrededor de 10.54 kg/cm2. En la mezcla puede colocarse en un autoclave a temperatura ambiente y aumentarse a la temperatura de reacción, o el recipiente puede ser calentado previamente a la temperatura deseada antes de ser presurizado. La temperatura de reacción puede oscilar de10 minutos a una hora o más. Aunque puede ser utilizado cualquier gas no oxidativo, tal como argón, helio, nitrógeno, hidrógeno, dióxido de carbono, o hidrocarburos gaseosos, o mezclas de los mismos, el nitrógeno se prefiere debido a su disponibilidad económica. Otro gas no oxidativo preferido es hidrógeno si está disponible internamente de los procedimientos, y que puede ser particularmente útil si se porta con la suspensión en un reactor de hidro-gasificación. Aunque se desea eliminar el gas oxidativo, uno puede utilizar un grado comercial, o menos puro, del gas no oxidativo siempre que no se lleve a cabo una oxidación sustancial. Los siguientes ejemplos ilustrarán la invención.

EJEMPLO 1 Con relación a la figura 1 , se muestra una mezcla de 50% de biomasa, que consiste en partículas de árbol de pino en agua antes del tratamiento. Se obtuvo aserrín de pino seco de las fibras de madera americanas y de cedro blanco seco de Utah. Este aserrín se trituró utilizando un triturador de café comercialmente disponible y se tamizó en una malla <100 (150 µ??). Para el pre-tratamiento de madera, se configuró un sistema de autoclave. Este consistía en un recipiente de presión Autoclave Engineers EZE-Seal clasificado a 231.99 kg/cm2 454.4°C. La muestra de madera y agua desionizada se pesaron y posteriormente se mezclaron bien a mano para una distribución de agua uniforme en un vaso de precipitado grande antes de colocarlo en el recipiente. La cantidad de madera agregada se ajustó para contenido de humedad. El recipiente entonces se pesó con contenidos, se sometió a vacío y se purgó tres veces con argón, y finalmente se presurizó a 7.03 ± 0.070 kg/cm2. La temperatura se elevó a la temperatura de operación (210-230°C) en aproximadamente 30 minutos y posteriormente se mantuvo durante 30 minutos. La presión y temperatura interna se registraron utilizando un software de adquisión de datos. Después de mantener durante 30 minutos, la aplicación de calor se detuvo y el recipiente se retiró del calentador. El recipiente se dejó enfriar a temperatura ambiente para permitir las recolección de gas de espacio de cabeza y la muestra. La temperatura y la presión se registraron antes de la recolección y posteriormente se pesó el recipiente. El resultado se muestra en la figura 2, que es una fotografía de la suspensión de la figura 1 después del tratamiento, que es una suspensión bombeable que contiene 50% de sólidos en agua. El análisis del gas de espacio de cabeza mostró carbono insignificante, que indica la pérdida de carbono insignificante de la suspensión.

EJEMPLO 2 El procedimiento del ejemplo 1 fue seguido pero el recipiente se calentó previamente a > 200°C antes de colocarse en el calentador. El autoclave alcanzó 230°C en 15 minutos o menos y posteriormente se mantuvo durante 30 minutos. El tiempo necesario para alcanzar la temperatura objetivo no tuvo un impacto físico notable en el producto resultante.

EJEMPLO 3 El método del ejemplo 1 puede llevarse a cabo pero en el cual la mezcla de partida es un desecho agrícola no bombeable que contiene 60 por ciento en peso de sólidos. El resultado será una suspensión bombeable que contiene 60% en peso de sólidos en agua.

EJEMPLO 4 El método del ejemplo 1 puede llevarse a cabo pero en el cual la mezcla de partida es vegetación que contiene 40 por ciento en peso de sólidos. El resultado será una suspensión bombeable que contiene 40% en peso de sólidos en agua. La suspensión de un material carbonoso que resulta del procedimiento de esta invención puede alimentarse en un reactor hidro- gasificador bajo condiciones que generan gas de aire rico. Este puede alimentarse junto con vapor en un reformador pirolítico de vapor bajo condiciones que generan gas de síntesis, como se describe en Norbeck et al., solicitud de patente de E.U.A. No. de serie 10/503,435, que se mencionó anteriormente. Alternativamente, la suspensión resultante puede ser calentada simultáneamente en presencia de hidrógeno y vapor para sufrir pirólisis de vapor e hidro-gasificación en un sólo paso, como se describe a detalle en Norbeck et al., solicitud de patente de E.U.A. No. de serie 10/911 ,348, que se mencionó anteriormente. Aunque la presente invención y sus ventajas se han descrito a detalle, debe entenderse que varios cambios, sustituciones y alteraciones pueden hacerse a la presente sin apartarse del espíritu y alcance de la invención como se define por las reivindicaciones anexas. Además, el alcance de la solicitud en la presente no pretende ser limitado a las modalidades particulares del procedimiento y aparatos descritos en la especificación. Como un experto en la técnica apreciará fácilmente a partir de la descripción de la presente invención, los procedimientos y aparatos, existentes en la presente o posteriormente a ser desarrollados que realizan sustancialmente la misma función o que logran sustancialmente el mismo resultado que las modalidades correspondientes descritas en la presente, pueden utilizarse de acuerdo con la presente invención. Asimismo, las reivindicaciones anexas pretenden incluir dichos procedimientos y utilizar dichos aparatos dentro de su alcance.

Claims (13)

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1.- Un procedimiento para convertir la biomasa en una suspensión con densidad de energía elevada con contenido de carbono elevado, que comprende proporcionar una mezcla de biomasa y agua que contiene hasta 60%..de sólidos, y calentar la mezcla bajo un gas no oxidativo por lo que se obtiene una suspensión estable que contiene 20-40% de carbono en peso de la suspensión.

2. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la mezcla se calienta a una temperatura en la escala de 170 a 250°C.

3. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la mezcla se calienta bajo gas no oxidativo a una presión de 7.03 a 28.12 kg/cm2.

4. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la mezcla se calienta a una temperatura de aproximadamente 200°C bajo una presión de gas no oxidativo de aproximadamente 10.54 kg/cm2.

5. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el gas no oxidativo se selecciona del grupo que consiste en argón, helio, nitrógeno, hidrógeno, dióxido de carbono, o hidrocarburos gaseosos o mezclas de los mismos.

6.- Un procedimiento para convertir la biomasa en una suspensión con densidad de energía elevada con contenido de carbono elevado, que comprende proporcionar una mezcla de biomasa y agua que contiene 50% de sólidos, y calentar la mezcla a una temperatura de aproximadamente 200°C bajo presión de gas no oxidativo de aproximadamente 10.54 kg/cm2, por lo que se obtiene una suspensión estable.

7.- Un procedimiento en el cual se alimenta una suspensión de biomasa en un reactor de hidro-gasificación, el paso de convertir la biomasa en una suspensión con densidad de energía elevada, con contenido de carbono elevado, que comprende proporcionar una mezcla de biomasa y agua que contiene hasta 60% de sólidos, y calentar la mezcla bajo gas no oxidativo por lo que se obtiene una suspensión estable.

8. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque la mezcla se calienta a una temperatura en la escala de 170 a 250°C.

9. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque la mezcla se calienta bajo gas no oxidativo a una presión de 7.03 a 28.12 kg/cm2.

10. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque la mezcla se calienta a una temperatura de alrededor 200°C bajo una presión de gas no oxidativo de alrededor de 10.54 kg/cm2.

11. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque el gas no oxidativo se selecciona del grupo que consiste en argón, helio, nitrógeno, hidrógeno, dióxido de carbono, o hidrocarburos gaseosos o mezclas de los mismos.

12. - Un procedimiento en donde una suspensión de biomasa se alimenta en un reactor de hidro-gasificación, el paso de convertir la biomasa en una suspensión con densidad de energía elevada, con alto contenido de carbono, comprende proporcionar una mezcla de biomasa y agua que contiene 50% de sólidos, y calentar la mezcla a una temperatura de alrededor de 200°C bajo una presión de gas no oxidativo de alrededor de 10.54 kg/cm2 por lo que se obtiene una suspensión estable.

13. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque el gas no oxidativo se selecciona del grupo que consiste en argón, helio, nitrógeno, hidrógeno, dióxido de carbono, o hidrocarburos gaseosos o mezclas de los mismos.