Conversión de biomasa para la producción de hidrocarburos líquidos de combustible a través de vapor caliente-filtrada pirólisis rápida y catalítico de hidrotratamiento

El objetivo general de este proceso es demostrar la producción de combustibles de hidrocarburos a partir de biomasa lignocelulósica en un proceso de dos pasos que consiste en pirólisis rápida e hidrotratamiento. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de los biocombustibles, como el impacto de la materia prima y las condiciones de operación en la calidad y el rendimiento del bioaceite de pirólisis y el producto de hidrocarburos. La principal ventaja de esta técnica es que permite la producción de petróleo en reactores industrialmente relevantes, y en cantidades suficientes para evaluar el proceso totalmente integrado.

Los problemas generales con las operaciones de pirólisis son: alimentar la biomasa de manera confiable, evitar que los vapores condensados obstruyan las líneas de transferencia calentadas en la entrada del condensador y lograr una condensación completa. El taponamiento del catalizador durante el hidrotratamiento debido a la inestabilidad de los productos es por aceite, es solo mediante el uso de un proceso de dos etapas que incluye una etapa de estabilización. Kellene Orton, del Laboratorio Nacional de Energía Renovable, demostrará el procedimiento de pirólisis.

El reactor de pirólisis utilizado es un reactor de lecho fluidizado burbujeante de 5,0 centímetros de diámetro interior construido en laboratorio y equipado con un sistema de condensación de vidrio. Ensamble el reactor de pirólisis, el ciclón con receptor de alquitrán y el filtro caliente como se describe en el protocolo de texto. Para el primer condensador, use una férula de grafito en una unión de compresión para acoplar el tubo de acero inoxidable a una pieza de tubo de vidrio de borosilicato fusionado a una junta cónica estándar.

Evite apretar demasiado. Aplique grasa de silicona, o un manguito de teflón, a la junta cónica estándar. Conecte el primer condensador a un matraz de dos cuellos colocado en un recipiente que servirá como baño de hielo.

Realice las conexiones entre los buques aguas abajo de este punto con tubos de vinilo transparente de 9-12 milímetros. Asegure el tubo con abrazaderas de manguera en juntas de vidrio esmerilado, juntas esféricas y lengüetas de manguera en la cristalería. Conecte la salida del primer matraz del condensador a la entrada del precipitador electrostático, o ESP.

Conecte la salida del ESP a la conexión superior del condensador de dedo frío. Luego, conecte un alivio de presión de tubo en U a la línea entre el ESP y el condensador de dedo frío. Llena el tubo en U hasta la mitad con agua.

A continuación, conecte el receptor a un matraz de dos cuellos de 500 mililitros colocado en un recipiente que servirá como baño de hielo seco. Coloque un orificio ciego en el matraz. Conecte la salida del orificio ciego a la entrada de la carcasa del filtro coalescente.

Coloque un recipiente para contener hielo seco alrededor de la parte inferior de la carcasa del filtro. Vierte 200 mililitros de arena en el reactor. A continuación, vierta dos kilogramos de biomasa molida en la tolva de alimentación.

Realice la verificación de fugas, caliente el reactor y prepárese para operarlo como se describe en el protocolo de texto. Finalmente, agregue hielo y hielo seco al tren del condensador. Para comenzar el experimento de pirólisis, abra las válvulas largas de cobre y la barrena.

Encienda los vibradores del sistema de alimentación. Ajuste el voltaje a 5-10 kilovoltios, según sea necesario, para observar un arco al menos una vez cada dos segundos.

Encienda el alimentador a una velocidad baja. Y asegúrese de que la biomasa se esté alimentando. Observe la temperatura de la cama y aumente el punto de ajuste según sea necesario para compensar el aumento de la carga de calor.

Cuando la temperatura se haya recuperado dentro de los dos grados centígrados del punto de ajuste, aumente la velocidad de alimentación en 100 gramos por hora. Repita el proceso hasta alcanzar la velocidad de alimentación deseada. Cada 15 minutos, registre la temperatura de la cama, la velocidad de alimentación, la velocidad del medidor de prueba en seco y las presiones del sistema.

Verifique que el ESP todavía esté formando arcos correctamente. Responda a los cambios según sea necesario, vuelva a llenar el hielo y el hielo seco, drene el ESP en un frasco de recolección de productos según sea necesario. Deje de alimentar después de alimentar suficiente biomasa para obtener un buen cierre del balance de masa.

Evite llenar en exceso el recipiente de alquitrán o los receptores del condensador. Pese todas las partes del sistema del condensador para obtener el rendimiento total del líquido. Vierta los líquidos de los receptores del condensador en un frasco o botella común.

Después de enfriar el sistema a menos de 50 grados centígrados, recoja el alquitrán del receptor y del filtro caliente. Retire y pese el material de la cama con una aspiradora HEPA con un recipiente ciego. Oxidar el sistema y calcular los rendimientos como se describe en el protocolo de texto.

Analice el aceite de pirólisis como se describe en el protocolo de texto. El sistema de hidrotratamiento utilizado es un reactor de flujo continuo de lecho fijo de 1,3 centímetros de diámetro interior construido en laboratorio, con un componente de alimentación de gas y líquido, y un componente de separación de productos gas-líquido. Triture ambos catalizadores, use rutenio apoyado en carbono como catalizador de la etapa uno para la estabilización del aceite de pirólisis, y use cobalto molibdeno apoyado en alúmina como catalizador de la etapa dos para la hidrodesoxigenación del aceite de pirólisis.

Tamiz para retener granos de 0,25 a 0,60 milímetros. Utilice tubos y cribas de acero inoxidable como medios de soporte para los lechos de catalizadores. Lenta y secuencialmente, vierta los granos de catalizador de la etapa dos, los granos de catalizador de la etapa uno y el catalizador original de la etapa uno se extruye en el reactor, mientras golpea el exterior del reactor para formar lechos de catalizador empaquetados.

Cargue 32 mililitros de cada catalizador para formar un lecho de catalizador de dos etapas con 24 mililitros de cada catalizador ubicados en la zona isotérmica. Coloque el reactor en el sistema de hidrotratamiento instalando primero los dos calentadores. Luego, conecte el reactor al componente de alimentación de gas y líquido y al componente de separación de productos gas-líquido.

Después de realizar el pretratamiento del catalizador por sulfuración como se describe en el protocolo de texto, ajuste el flujo de hidrógeno a 153 mililitros por minuto y mantenga la presión del sistema a 10,3 megapascales. Ajuste la temperatura del lecho del catalizador de la etapa uno a 220 grados Celsius y la temperatura del lecho del catalizador de la etapa dos a 400 grados Celsius. Registre la temperatura del lecho y las líneas de base del flujo de hidrógeno cuando la temperatura, la presión y el flujo de hidrógeno se estabilizan.

Agregue disulfuro de di-terc-butilo a la alimentación de aceite de pirólisis en una cantidad igual a 150 ppms de azufre en el aceite de pirólisis. Llene una de las bombas de alimentación con la alimentación de aceite de pirólisis y purgue la línea de alimentación hasta lograr un flujo de líquido libre de burbujas de aire. Presurice la bomba a 10,3 megapascales y luego conéctela al reactor abriendo las válvulas de conexión.

Comience a alimentar el aceite de pirólisis a un caudal de 4,8 mililitros por hora. Esta acción inicia la prueba de hidrotratamiento con aceite de pirólisis. Verifique el estado del reactor y registre periódicamente los parámetros, como la temperatura, la presión, el caudal y el volumen.

Asegúrese de que las temperaturas del lecho del catalizador estén dentro de más o menos dos grados de la temperatura deseada, que los caudales de gas y líquido sean exactamente los mismos que los ajustes deseados y que la presión del reactor esté dentro de más o menos 0,15 megapascales de la presión deseada. Asegúrese también de que la caída de presión a través del lecho del catalizador sea inferior a 0,35 megapascales. Recoja las muestras líquidas cada seis horas cambiando primero la trampa de muestreo a la trampa de derivación y reduciendo la presión de la trampa de muestreo.

A continuación, drene la muestra líquida hasta los viales de recogida. Purgue la trampa de muestreo y presurice la trampa de muestreo con nitrógeno. Por último, redirija el flujo de producto a la trampa de muestreo.

Analice las muestras de gas cada dos horas mediante cromatografía de microgás. Realice la prueba durante 60 horas en funcionamiento, ajustando la temperatura del reactor a 100 grados centígrados y el caudal de hidrógeno a 100 mililitros por minuto. Finalice la prueba deteniendo la alimentación de aceite de pirólisis.

Procese y analice los productos líquidos como se describe en el protocolo de texto. Esta figura compara el análisis elemental del contenido de carbono, hidrógeno y oxígeno de la materia prima, el aceite de pirólisis y el combustible mejorado. Demuestra la conversión exitosa de materias primas de biomasa en combustibles líquidos de hidrocarburos en el proceso de dos etapas.

Aquí se demuestra el impacto de la filtración de gas caliente de los vapores de pirólisis antes de la condensación. La filtración de gas caliente elimina los residuos inorgánicos, pero también afecta el rendimiento del aceite de pirólisis y las propiedades del aceite, como el contenido de oxígeno del aceite. Los resultados detallados demuestran los rendimientos y las propiedades de los combustibles mejorados después del hidrotratamiento.

El bioaceite filtrado con vapor caliente conduce a una proporción de agua a combustible ligeramente más alta, y las propiedades del combustible mejorado para los dos bioaceites son muy similares. La principal diferencia entre el hidrotratamiento de los dos aceites de pirólisis es que el lecho catalizador de bioaceite filtrado con vapor caliente mostró mucha menos deposición de minerales. Esta técnica muestra la conversión de biomasa lignocelulósica, en combustibles de hidrocarburos mediante pirólisis rápida e hidrotratamiento, utilizando las condiciones necesarias para producir un biocombustible de alta calidad y buen rendimiento.

Después de este desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores exploraran las materias primas, las políticas y los parámetros de la biomasa, y los catalizadores y parámetros de hidrotratamiento con el mayor impacto en la eficiencia general del carbono, para la producción de biocombustibles. No olvide que trabajar con aceite de pirólisis y en sistemas de reactores calientes puede ser extremadamente peligroso. Siempre se deben tomar precauciones al realizar esta técnica.

Además, se deben seguir estrictamente las reglas y procedimientos de seguridad.