ES2715527A1 - Renewable carbonaceous material and process for its production from biomass (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Material carbonoso renovable y procedimiento para su producción a partir de biomasa. La presente invención se refiere a un material carbonoso renovable de valor añadido, procedimiento para su obtención mediante carbonización hidrotermal a partir de biomasa lignocelulósica con una cantidad de agua comprendida de entre un 50% y un 90% en peso, y su uso como sustrato o aditivo sin efecto fitotóxico para el suelo en plantaciones agrícolas o como carburante sólido.Renewable carbonaceous material and procedure for its production from biomass. The present invention refers to a renewable carbonaceous material with added value, a process to obtain it by hydrothermal carbonization from lignocellulosic biomass with a quantity of water comprised between 50% and 90% by weight, and its use as a substrate or Additive without phytotoxic effect for the soil in agricultural plantations or as a solid fuel.
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Material carbonoso renovable y procedimiento para su producción a partir de biomasaRenewable carbonaceous material and process for its production from biomass
La presente invención se refiere a un material carbonoso renovable de valor añadido, procedimiento para su obtención mediante carbonización hidrotermal a partir de biomasa lignocelulósica con una cantidad de agua comprendida de entre un 50% y un 90% en peso, y su uso como sustrato o aditivo sin efecto fitotóxico para el suelo en plantaciones agrícolas o como carburante sólido.The present invention relates to a value-added renewable carbonaceous material, a process for obtaining it by hydrothermal carbonization from lignocellulosic biomass with an amount of water comprised between 50% and 90% by weight, and its use as a substrate or additive without phytotoxic effect for the soil in agricultural plantations or as solid fuel.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
En el año 2007 Antonietti y colaboradores del Instituto Max-Planck en Potsdam, Alemania, publicaron un trabajo sobre la conversión de biomasa en presencia de agua, la carbonización hidrotermal (Chem. Mater. 2007, 19, 4205-4212). Este artículo describe la conversión de biomasa lignocelulósica con un alto contenido en agua, como por ejemplo hojas de roble o piel de naranja, en un material carbonoso renovable (con un ligero olor característico a ahumado) por un tratamiento en autoclave a una temperatura entre 180 y 250 °C.In 2007 Antonietti and collaborators of the Max-Planck Institute in Potsdam, Germany, published a paper on the conversion of biomass in the presence of water, hydrothermal carbonization (Chem. Mater. 2007, 19, 4205-4212). This article describes the conversion of lignocellulosic biomass with a high content of water, such as oak leaves or orange peel, into a renewable carbonaceous material (with a slight characteristic smoke odor) by an autoclave treatment at a temperature between 180 and 250 ° C.
Este proceso despierta un gran interés debido a que se pueden emplear recursos de bajo valor de gran accesibilidad, que actualmente no tienen ninguna aplicación por su alto contenido de agua. Después del tratamiento por carbonización hidrotermal, se han descrito los usos de los productos resultantes como carburantes sólidos (Catal. Today, 2015, 257, 154-159.). Se ha demostrado que durante el proceso de carbonización hidrotermal (HTC) se produce un portador de energía y su producción consume tan sólo un 25-35% de la energía que contiene el producto, para proporcionar el calor y la electricidad requeridos para llevar a cabo el proceso de producción (Green Chem., 2016, 18, 1051-1060).This process arouses great interest because low value resources of great accessibility can be used, which currently have no application due to their high water content. After the hydrothermal carbonization treatment, the uses of the resulting products as solid fuels have been described (Catal. Today, 2015, 257, 154-159.). It has been demonstrated that during the process of hydrothermal carbonization (HTC) a carrier of energy is produced and its production consumes only 25-35% of the energy contained in the product, to provide the heat and electricity required to carry out the production process (Green Chem., 2016, 18, 1051-1060).
Aparte del aprovechamiento de recursos sin otro uso alternativo, la carbonización hidrotermal también puede considerarse como un medio para la mitigación del cambio climático, ya que al carbonizar los recursos húmedos se evita la formación de metano durante un posible compostaje, controlado o incontrolado. En este contexto, para incrementar el efecto de la mitigación, también es deseable emplear el producto carbonoso obtenido mediante carbonización hidrotermal o hydrochar para otros fines, lo que se plantea como una alternativa al uso como carburante sólido. En este último caso se libera rápidamente el dióxido de carbono a la atmósfera.Apart from the use of resources without other alternative use, hydrothermal carbonization can also be considered as a means to mitigate climate change, since carbonizing the humid resources avoids the formation of methane during a possible composting, controlled or uncontrolled. In this context, for To increase the effect of mitigation, it is also desirable to use the carbonaceous product obtained by hydrothermal carbonization or hydrochar for other purposes, which is considered as an alternative to the use as solid fuel. In the latter case, carbon dioxide is rapidly released into the atmosphere.
Otra aplicación alternativa del hydrochar es la de aditivo para el suelo para aplicaciones en la agricultura. Se sabe que la "Terra Preta de Índio” es un excelente sustrato para el crecimiento de plantas y contiene un alto contenido de carbón (Geoderma 2017, 288, 154-165.).Another alternative application of the hydrochar is that of additive for the soil for applications in agriculture. It is known that the "Terra Preta de Índio" is an excellent substrate for the growth of plants and contains a high carbon content (Geoderma 2017, 288, 154-165.).
Sin embargo, la aplicación directa del hydrochar no tiene efectos positivos sobre el crecimiento de las plantas. En muchos casos se observaron efectos inhibidores para el crecimiento cuando se aplica el hydrochar, ya que se ha detectado que éste tiene efecto fitotóxico cuando se emplea como sustrato sin tierra (J. Environ. Manage. 2017, 191, 237-243). Este efecto fitotóxico puede ser eliminado o reducido por tratamientos posteriores al proceso, como un tratamiento con ácido nítrico diluido, degradación de las sustancias nocivas con el tiempo, o que sean solubles en agua y se eliminan por lavados.However, the direct application of hydrochar does not have positive effects on the growth of plants. In many cases, inhibitory effects on growth were observed when hydrochar was applied, since it has been found to have a phytotoxic effect when used as a substrate without soil (J. Environ, Manage , 2017, 191, 237-243). This phytotoxic effect can be eliminated or reduced by subsequent treatments, such as a treatment with diluted nitric acid, degradation of harmful substances over time, or that are soluble in water and washed out.
El efecto fitotóxico del hydrochar se debe a su contenido en un número de compuestos químicos con un efecto tóxico, y que son casi imposibles de identificar por separado mediante análisis químicos. Además, el hydrochar tiene una concentración baja en los contaminantes habituales como hidrocarburos poliaromáticos (PAH), policlorobifenilos (PCB), dioxinas o metales pesados y por esto, los efectos fitotóxicos no se pueden explicar con los análisis estándar, lo que dificulta aún más esta labor. Las sustancias que causan este efecto tóxico o fitotóxico no se conocen aún, ni se sabe si es una o son varias (Ecotoxicol. Environ. Saf. 2013, 97, 59-66.).The phytotoxic effect of hydrochar is due to its content in a number of chemical compounds with a toxic effect, and that are almost impossible to identify separately by chemical analysis. In addition, the hydrochar has a low concentration in the usual pollutants such as polyaromatic hydrocarbons (PAH), polychlorinated biphenyls (PCB), dioxins or heavy metals and therefore, the phytotoxic effects can not be explained with standard analyzes, which makes this work. The substances that cause this toxic or phytotoxic effect are not yet known, nor is it known if it is one or several (Ecotoxicol, Environ, Saf , 2013, 97, 59-66.).
Aparte de unas propiedades parcialmente perjudiciales de hydrochar con respecto a su aplicación al campo, hydrochar es considerado un producto valioso. Al final de un proyecto europeo los participantes concluyeron que el precio de hydrochar puede ser demasiado alto para su aplicación para mejorar las propiedades del campo. Además, recomiendan tratamientos para la eliminación de los efectos fitotóxicos. Por un lado, proponen procesos químicos como oxidaciones y por el otro, procesos biológicos como compostaje del hydrochar. Según los investigadores estos tratamientos son efectivos para mejorar las características del hydrochar para su aplicación en la agricultura, pero claro está, estos procesos adicionales encarecerían también el coste de producción del material, de la misma manera que procesos de lavado mencionados anteriormente.Apart from a partially harmful properties of hydrochar with respect to its application to the field, hydrochar is considered a valuable product. At the end of a European project the participants concluded that the price of hydrochar may be too high for its application to improve the properties of the field. In addition, they recommend treatments for the elimination of phytotoxic effects. On the one hand, they propose chemical processes such as oxidations and on the other, biological processes such as hydrochar composting. According to the researchers, these treatments are effective to improve the characteristics of the hydrochar for its application in agriculture, but of course, these additional processes would also increase the cost of production of the material, in the same way as washing processes mentioned above.
Por otro lado, en la patente ES2339320, cuyo contenido se incorpora a la presente solicitud por referencia, se describe el proceso de carbonización hidrotermal a partir de una mezcla acuosa de biomasa, el cual se lleva a cabo durante un periodo de 2 a 12 horas a una temperatura comprendida entre 180 y 225 °C y una presión entre 10 a 25 bar. Como resultado del proceso se obtiene una mezcla acuosa de biomasa carbonizada con partículas porosas de diferentes tamaños, que es recogida de la parte inferior del reactor vertical de flujo invertido en el que tiene lugar el proceso de carbonización hidrotermal. De manera particular, el contenido de agua puede variar entre un 80% y un 90%. Este proceso produce un material carbonoso renovable que tiene propiedades fitotóxicas y un olor característico, con un contenido en carbón fijo promedio bajo en comparación con otros materiales carbonosos renovables (por ejemplo, biochar obtenido por pirólisis).On the other hand, in patent ES2339320, whose content is incorporated in the present application by reference, the hydrothermal carbonization process is described from an aqueous mixture of biomass, which is carried out during a period of 2 to 12 hours at a temperature between 180 and 225 ° C and a pressure between 10 to 25 bar. As a result of the process, an aqueous mixture of carbonized biomass with porous particles of different sizes is obtained, which is collected from the lower part of the inverted vertical flow reactor in which the hydrothermal carbonization process takes place. In particular, the water content can vary between 80% and 90%. This process produces a renewable carbonaceous material that has phytotoxic properties and a characteristic odor, with a low average fixed carbon content in comparison with other renewable carbonaceous materials (for example, biochar obtained by pyrolysis).
En la solicitud para patente europea EP3053929 se describe cómo el material a base de lignina se trata sometiendo la lignina separada de la materia prima lignocelulósica al proceso de carbonización hidrotermal a una temperatura elevada, donde se obtiene lignina carbonizada que tiene un mayor contenido de carbono, y estabilizando la lignina carbonizada obtenida en atmósfera inerte a una temperatura de estabilización superior a la temperatura del proceso de carbonización hidrotermal.European patent application EP3053929 describes how the lignin-based material is treated by subjecting the lignin separated from the lignocellulosic raw material to the hydrothermal carbonization process at an elevated temperature, where carbonized lignin having a higher carbon content is obtained, and stabilizing the carbonized lignin obtained in an inert atmosphere at a stabilization temperature higher than the temperature of the hydrothermal carbonization process.
En resumen, se puede constatar que hydrochar obtenido por un proceso de carbonización hidrotermal (HTC) a temperaturas entre 180 y 250 °C, podría ser un material fertilizante a medio plazo para el uso agrícola y contribuir al mismo tiempo a la mitigación del cambio climático por secuestro de carbono y por prevención de formación de metano. Sin embargo, el hydrochar tiene propiedades fitotóxicas a corto plazo y un precio elevado que entorpecen su aplicación. Lavados o compostaje alivian estos efectos, pero como procesos adicionales, lo que encarece más su coste de producción.In summary, it can be verified that hydrochar obtained by a hydrothermal carbonization process (HTC) at temperatures between 180 and 250 ° C, could be a medium-term fertilizer material for agricultural use and at the same time contribute to the mitigation of climate change by carbon sequestration and by prevention of methane formation. However, hydrochar has phytotoxic properties in the short term and a high price that hinder its application. Washing or composting relieves these effects, but as additional processes, which increases the cost of production.
Por tanto, es necesario encontrar un proceso de obtención de un producto carbonoso con propiedades fitotóxicas mejoradas y mediante un procedimiento energéticamente más sostenible.Therefore, it is necessary to find a process to obtain a carbonaceous product with improved phytotoxic properties and through an energy more sustainable procedure.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención proporciona un procedimiento para la obtención de un producto material carbonoso obtenido mediante carbonización hidrotermal (o hydrochar) con propiedades mejoradas. El proceso produce un sólido con una cantidad de carbón fijo incrementado y ausencia de fitotóxicos, lo que mejora sus propiedades como carburante sólido y aumenta su estabilidad en el suelo.The present invention provides a process for obtaining a product carbonaceous material obtained by hydrothermal carbonization (or hydrochar) with improved properties. The process produces a solid with an increased amount of fixed carbon and absence of phytotoxic, which improves its properties as a solid fuel and increases its stability in the soil.
El producto sólido resultante del procedimiento de la presente invención es un hydrochar:The solid product resulting from the process of the present invention is a hydrochar:
● sin efectos fitotóxicos o con los efectos fitotóxicos reducidos,● without phytotoxic effects or with reduced phytotoxic effects,
● menos oloroso o inodoro, y● less odorous or odorless, and
● útil como materia prima para materiales de valor añadido.● Useful as a raw material for value-added materials.
Además, el procedimiento de la presente invención no produce residuos adicionales con respecto al proceso de carbonización hidrotermal tradicional y tiene un buen balance económico, más favorable porque baja los costes energéticos. Sorprendentemente, se puede usar una parte del hydrochar obtenido mediante el procedimiento de la invención para abastecer la planta de carbonización hidrotermal con la energía y convertirla en autárquica en términos de energía, y al mismo tiempo mejorar las propiedades del hydrochar.Furthermore, the process of the present invention does not produce additional residues with respect to the traditional hydrothermal carbonization process and has a good economic balance, more favorable because it lowers the energy costs. Surprisingly, a part of the hydrochar obtained by the process of the invention can be used to supply the hydrothermal carbonization plant with energy and convert it into autarkic in terms of energy, and at the same time improve the properties of the hydrochar.
Por otro lado, la presente invención es claramente un avance tecnológico para la eliminación de compuestos fitotóxicos con respecto a las metodologías conocidas hasta el momento, ya que en ninguno de los procedimientos conocidos es posible valorizar los compuestos energéticamente porque se obtienen en forma diluida en una disolución acuosa, o emitido libremente al medioambiente como probablemente ocurre en el compostaje.On the other hand, the present invention is clearly a technological advance for the elimination of phytotoxic compounds with respect to the methodologies known up to now, since in none of the known processes it is possible to valorise the compounds energetically because they are obtained in diluted form in a aqueous solution, or freely released to the environment as probably occurs in composting.
Otra de las ventajas del procedimiento de la presente invención consiste en que las etapas de "acabado” y "valorización energética” se pueden integrar fácilmente en una planta de carbonización hidrotermal sin que se tenga que aumentar el espacio, ya que la etapa de "acabado” implicaría una modificación sencilla en el proceso de secado ya presente en la planta, y la etapa de “valorización energética” tan sólo necesitaría adicionar un conducto a la unidad de generación de energía; mientras que un compostaje adicional, que es procedimiento establecido para la eliminación de sustancias fitotóxicas, necesita mucho más espacio porque el tiempo de residencia es mucho más alto, esto es unos 28 días, comparado con unas horas (p. e. 8 h, en cualquier caso menos de un día) que se emplean en el proceso de carbonización hidrotermal. El tiempo de residencia para el proceso de acabado también se considera un proceso rápido de una hora o menos. Además, este proceso se lleva a cabo sin agua, lo que reduce el volumen en un 60 - 80% con respecto al reactor de HTC.Another advantage of the method of the present invention is that the stages of "finishing" and "energy recovery" can be easily integrated into a hydrothermal carbonization plant without having to increase the space, since the "finishing" stage "Would imply a simple modification in the drying process and present in the plant, and the stage of "energy recovery" would only need to add a conduit to the power generation unit; while an additional composting, which is an established procedure for the elimination of phytotoxic substances, requires much more space because the residence time is much higher, this is about 28 days, compared to a few hours (eg 8 h, in any case less one day) that are used in the hydrothermal carbonization process. The residence time for the finishing process is also considered a quick process of one hour or less. In addition, this process is carried out without water, which reduces the volume by 60-80% with respect to the HTC reactor.
Teniendo en cuenta estas consideraciones, un primer aspecto de la presente invención se refiere a un procedimiento para la obtención de un material carbonoso renovable caracterizado por que comprende las siguientes etapas:Taking into account these considerations, a first aspect of the present invention relates to a method for obtaining a renewable carbonaceous material characterized in that it comprises the following steps:
(a) carbonización hidrotermal de una mezcla acuosa de biomasa lignocelulósica con una cantidad de agua de entre un 50% y un 90% en peso respecto al peso total de la mezcla, a una temperatura de entre 180 °C y 235 °C, una presión de entre 10 y 25 atm, y un pH inferior a 7; y posterior reducción del contenido en agua en la masa sólida húmeda resultante hasta un rango de entre el 40% y el 60% en peso respecto al peso total de la mezcla;(a) hydrothermal carbonization of an aqueous mixture of lignocellulosic biomass with an amount of water of between 50% and 90% by weight with respect to the total weight of the mixture, at a temperature between 180 ° C and 235 ° C, a pressure of between 10 and 25 atm, and a pH of less than 7; and further reducing the water content in the resulting wet solid mass to a range between 40% and 60% by weight with respect to the total weight of the mixture;
(b) calentamiento del material sólido húmedo resultante de la etapa (a), en ausencia de oxígeno, a una temperatura de entre 200 °C y 400 °C, y una presión de entre 1 y 5 atm; y(b) heating the wet solid material resulting from step (a), in the absence of oxygen, at a temperature of between 200 ° C and 400 ° C, and a pressure of between 1 and 5 atm; Y
(c) generación de energía térmica a partir de los vapores y líquidos obtenidos en la etapa (b) para su uso en las etapas (a) y (b).(c) generation of thermal energy from the vapors and liquids obtained in step (b) for use in steps (a) and (b).
Con esta etapa de valorización del flujo gaseoso procedente de la etapa (b) se evita la formación de productos, más allá del CO2. Es decir, se consigue una valorización de los compuestos fitotóxicos como portadores de energía, evitando la liberación de productos contaminantes al medioambiente y, por lo tanto, los costes adicionales para la gestión de estos compuestos, aparte de aliviar los costes de energía del proceso de carbonización hidrotermal.With this stage of valorisation of the gaseous flow coming from stage (b) the formation of products is avoided, beyond the CO2. That is to say, the phytotoxic compounds are recovered as energy carriers, avoiding the release of polluting products into the environment and, therefore, the additional costs for the management of these compounds, apart from alleviating the energy costs of the process. Hydrothermal carbonization.
Por otro lado, el proceso de carbonización hidrotermal que se lleva a cabo en la etapa (a) del procedimiento de la invención permite un alto contenido de humedad en la materia prima (50%-90% en peso respecto al peso total de la mezcla) sin que este afecte negativamente al balance económico del proceso. Por esto, se pueden emplear como materia prima recursos residuales tales como la fracción orgánica de los residuos urbanos (FORSU), restos de poda, hierba, pieles y cáscaras de fruta y verdura, e incluso mezclas de todos ellos.On the other hand, the hydrothermal carbonization process carried out in step (a) of the process of the invention allows a high moisture content in the raw material (50% -90% by weight with respect to the total weight of the mixture) without this adversely affecting the economic balance of the process. For this reason, residual resources such as the organic fraction of urban waste (FORSU), pruning remains, grass, skins and fruit and vegetable shells, and even mixtures of all of them can be used as raw material.
En una realización preferida, la cantidad de agua presente en la mezcla acuosa de partida en la etapa (a) es de entre un 60% y un 85% en peso respecto al peso total de la mezcla; y el agua puede provenir de la biomasa o de otras fuentes.In a preferred embodiment, the amount of water present in the aqueous starting mixture in step (a) is between 60% and 85% by weight relative to the total weight of the mixture; and water can come from biomass or other sources.
Por otro lado, el tratamiento térmico que se lleva a cabo en las etapas (a) y (b) del procedimiento de la invención, no supera los 400°C, ya que no se pretende modificar la estructura del producto sólido sino eliminar compuestos ya existentes en el sólido, mientras que, en procedimientos clásicos se emplean como óptimas temperaturas en el rango de los 500 y 600 °C, ya que se pretende transformar compuestos carbonosos en una forma más estable.On the other hand, the heat treatment carried out in steps (a) and (b) of the process of the invention, does not exceed 400 ° C, since it is not intended to modify the structure of the solid product but to eliminate compounds already existing in the solid, while, in classical procedures are used as optimal temperatures in the range of 500 and 600 ° C, since it is intended to transform carbonaceous compounds in a more stable.
Además, en estos procedimientos clásicos se emplean presiones relativamente altas, de entre 20 y 40 atm, mientras en la presente invención se emplean presiones más bajas, preferiblemente inferiores a 20 atm.In addition, in these conventional processes relatively high pressures are used, between 20 and 40 atm, while in the present invention lower pressures are used, preferably less than 20 atm.
En una realización preferida, la etapa (a) se lleva a cabo a una temperatura de entre 200 °C y 212 °C, y una presión de entre 15 y 20 atm.In a preferred embodiment, step (a) is carried out at a temperature of between 200 ° C and 212 ° C, and a pressure of between 15 and 20 atm.
En tercer lugar, en la presente invención esta primera etapa se lleva a cabo a un pH máximo de siete, preferiblemente más ácido, con un pH de alrededor de 5. Este pH es necesario para la degradación de la hemicelulosa y la celulosa que, en un proceso posterior, polimerizan. Por el contrario, en procedimientos descritos en la literatura, se separa o concentra la parte de la lignina de la biomasa, en detrimento de celulosa y hemicelulosa. Esto quiere decir que no emplea la biomasa entera sino solamente una parte, la enriquecida en lignina; y para esta separación se emplea un pH básico.Third, in the present invention this first step is carried out at a maximum pH of seven, preferably more acid, with a pH of around 5. This pH is necessary for the degradation of hemicellulose and cellulose which, in a later process, they polymerize. On the contrary, in procedures described in the literature, part of the lignin is separated or concentrated from the biomass, to the detriment of cellulose and hemicellulose. This means that it does not use the entire biomass but only a part, the one enriched in lignin; and for this separation a basic pH is used.
En una realización preferida, el pH de la mezcla en el reactor en la etapa (a) es de entre 4 y 6. In a preferred embodiment, the pH of the mixture in the reactor in step (a) is between 4 and 6.
En otra realización preferida, el contenido en agua en la masa sólida húmeda resultante de la carbonización hidrotermal de la etapa (a) se ajusta a un rango de entre un 40% y un 50% en peso respecto al total de la mezcla antes de pasar a la etapa (b) de calentamiento.In another preferred embodiment, the water content in the wet solid mass resulting from the hydrothermal carbonization of step (a) is adjusted to a range of between 40% and 50% by weight with respect to the total of the mixture before passing to heating stage (b).
En otra realización preferida, esta reducción del contenido en agua se lleva a cabo mediante procesos mecánicos, evitando la evaporación del agua. Dichos procesos mecánicos incluyen, aunque sin limitarse, la filtración o la centrifugación.In another preferred embodiment, this reduction in water content is carried out by mechanical processes, avoiding the evaporation of water. Such mechanical processes include, but are not limited to filtration or centrifugation.
En otra realización preferida la temperatura de calentamiento en la etapa (b) es de entre 250 °C y 300 °C.In another preferred embodiment the heating temperature in step (b) is between 250 ° C and 300 ° C.
En otra realización preferida, los vapores y líquidos producidos en la etapa (b) y valorizados en la etapa (c) se conducen a una unidad de generación de energía térmica de la planta HTC por un conducto calentado a la misma temperatura de la etapa (b) o superior, es decir, a una temperatura comprendida de entre 200 °C y 400 °C, y más preferiblemente de entre 250 °C y 350 °C.In another preferred embodiment, the vapors and liquids produced in step (b) and recovered in step (c) are conducted to a unit of thermal energy generation of the HTC plant by a conduit heated to the same temperature of the stage ( b) or higher, that is to say, at a temperature comprised between 200 ° C and 400 ° C, and more preferably between 250 ° C and 350 ° C.
En una realización particular, el procedimiento de la invención puede comprender una etapa adicional, posterior al ajuste de la humedad del sólido en la etapa (a) y anterior al calentamiento del material sólido húmedo en la etapa (b), de molienda del sólido y/o de una peletización del sólido para la obtención de partículas con un diámetro de partícula promedio de entre 1 y 10 mm, preferiblemente de entre 1 y 5 mm.In a particular embodiment, the method of the invention may comprise a further step, after adjusting the moisture of the solid in step (a) and prior to heating the wet solid material in step (b), grinding the solid and / or of a pelletization of the solid for obtaining particles with an average particle diameter of between 1 and 10 mm, preferably between 1 and 5 mm.
Un segundo aspecto de la invención es un producto carbonoso renovable obtenido a partir del procedimiento de la invención, que presenta un valor añadido con respecto al hydrochar clásico, es decir, con respecto al producto obtenido de la etapa (a) del procedimiento de la invención , y se caracteriza por que la cantidad en peso de carbón fijo se incrementa en al menos un 33% con respecto al valor en el hydrochar clásico, es decir, con respecto al producto obtenido de la etapa (a) del procedimiento de la invención, y más preferiblemente en un 40% en peso del valor en el hydrochar clásico, es decir, con respecto al producto obtenido de la etapa (a) del procedimiento de la invención; y disminuye la cantidad en peso de volátiles en al menos un 15% del valor en el hydrochar clásico, es decir, con respecto al producto obtenido de la etapa (a) del procedimiento de la invención, y más preferiblemente en un 20% en peso del valor el hydrochar clásico, es decir, con respecto al producto obtenido de la etapa (a) del procedimiento de la invención.A second aspect of the invention is a renewable carbonaceous product obtained from the process of the invention, which has an added value with respect to classical hydrochar, that is, with respect to the product obtained from step (a) of the process of the invention , and characterized in that the amount by weight of fixed coal increases by at least 33% with respect to the value in the classic hydrochar, that is, with respect to the product obtained from step (a) of the process of the invention, and more preferably 40% by weight of the value in the classic hydrochar, ie, with respect to the product obtained from step (a) of the process of the invention; and decreases the amount by weight of volatiles by at least 15% of the value in the classic hydrochar, ie, with respect to the product obtained from step (a) of the process of the invention, and more preferably by 20% by weight of the value classic hydrochar, that is, with respect to the product obtained from step (a) of the process of the invention.
Otro aspecto de la invención es el uso del producto carbonoso renovable de la invención como sustrato y/o aditivo sin efecto fitotóxico para el suelo en plantaciones agrícolas.Another aspect of the invention is the use of the renewable carbonaceous product of the invention as a substrate and / or additive without phytotoxic effect for the soil in agricultural plantations.
Otro aspecto de la invención es el uso del producto carbonoso renovable de la invención como carburante sólido, sin olor.Another aspect of the invention is the use of the renewable carbonaceous product of the invention as a solid, odorless fuel.
En el contexto de la presente invención se entiende por "biomasa lignocelulósica” una composición que comprende celulosa, hemicelulosa, y lignina. La biomasa también puede comprender componentes adicionales, como almidón, oligosacáridos y/o monosacáridos, proteínas y/o lípidos.In the context of the present invention, "lignocellulosic biomass" is understood as a composition comprising cellulose, hemicellulose, and lignin The biomass may also comprise additional components, such as starch, oligosaccharides and / or monosaccharides, proteins and / or lipids.
En el contexto de la presente invención se entiende por "hydrochar” el producto sólido carbonoso obtenido de un proceso de carbonización hidrotermal. Particularmente, se entiende por "hydrochar clásico” al producto resultante del proceso de carbonización hidrotermal, es decir, de la etapa (a) del procedimiento de la invención, sin tratamiento posterior; y está caracterizado por que tiene un contenido en volátiles alto, un contenido en carbón fijo bajo, y la cantidad de cenizas depende únicamente de la concentración de materiales no orgánicos, como metales o óxidos metálicos, en la biomasa que se alimenta al reactor HTC.In the context of the present invention, "hydrochar" is understood to mean the solid carbonaceous product obtained from a hydrothermal carbonization process, in particular "classic hydrochar" is understood as the product resulting from the hydrothermal carbonization process, that is, from the stage ( a) of the method of the invention, without further processing; and is characterized by having a high volatile content, a low fixed carbon content, and the amount of ash depends solely on the concentration of non-organic materials, such as metals or metal oxides, in the biomass that is fed to the HTC reactor.
En el contexto de la presente invención se entiende que el "carbón fijo” es el material que no se incluye ni en las cenizas ni en los volátiles, partiendo de un material carbonoso seco.In the context of the present invention it is understood that the "fixed carbon" is the material that is not included in the ashes or in the volatiles, starting from a dry carbonaceous material.
En el contexto de la presente invención se entiende por "cenizas” los restos de la combustión del material a 815 °C durante una hora.In the context of the present invention, "ash" is understood to be the remains of the combustion of the material at 815 ° C for one hour.
En el contexto de la presente invención se entiende por "volátiles” la parte eliminada por un tratamiento del material a 900 °C durante 7 min en un recipiente cerrado.In the context of the present invention, "volatile" is understood as the part eliminated by a treatment of the material at 900 ° C for 7 min in a closed container.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y figuras se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención.Throughout the description and the claims the word "comprises" and its Variants do not intend to exclude other technical characteristics, additives, components or steps. For those skilled in the art, other objects, advantages and characteristics of the invention will emerge partly from the description and partly from the practice of the invention. The following examples and figures are provided by way of illustration, and are not intended to be limiting of the present invention.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURASBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
FIG. 1: Cromatograma de Gases multidimensional (GCxGC) para (A) hydrochar sin tratar; (B) hydrochar después de una extracción con una disolución tampón de pH 3.5.FIG. 1: Multidimensional Gas Chromatogram (GCxGC) for (A) untreated hydrochar; (B) hydrochar after an extraction with a buffer solution of pH 3.5.
FIG. 2: Representación de los resultados de la disminución de los compuestos fitotóxicos por lavados a pH 3,5; 6,0; 9,5; y agua desionizada.FIG. 2: Representation of the results of the decrease of the phytotoxic compounds by washes at pH 3.5; 6.0; 9.5; and deionized water.
FIG. 3: Representación de los resultados de la disminución de los compuestos fitotóxicos por tratamiento a diferentes temperaturas.FIG. 3: Representation of the results of the decrease of phytotoxic compounds by treatment at different temperatures.
FIG. 4: Comparativa del tratamiento de acabado a 200 °C sobre un hydrochar obtenido a partir de biomasa de poda e un hydrochar obtenido a partir la fracción orgánica (columna izquierda) de los residuos sólidos urbanos (columna derecha).FIG. 4: Comparison of the finishing treatment at 200 ° C on a hydrochar obtained from pruning biomass and a hydrochar obtained from the organic fraction (left column) of the urban solid waste (right column).
EJEMPLOSEXAMPLES
A continuación, se ilustrará la invención mediante unos ensayos realizados por los inventores, que ponen de manifiesto la efectividad del producto de la invención.Next, the invention will be illustrated by means of tests carried out by the inventors, which show the effectiveness of the product of the invention.
Ejemplo 1: Realización preferida del procedimiento de la invenciónExample 1: Preferred embodiment of the method of the invention
El procedimiento de la invención comprende al menos las siguientes etapas:The method of the invention comprises at least the following steps:
● Etapa de "reacción” (a), que consiste en una carbonización hidrotermal (HTC) que se lleva a cabo en un reactor HTC a una temperatura de entre 180 y 235°C, para la obtención de un material carbonoso con un contenido en agua del 40-60% en peso respecto al peso total de la mezcla. Este sólido, sin la aplicación de la siguiente etapa de "acabado” (b), se denomina "hydrochar clásico” en la presente invención, tal y como se ha descrito anteriormente.● Stage of "reaction" (a), which consists of a hydrothermal carbonization (HTC) that is carried out in an HTC reactor at a temperature of between 180 and 235 ° C, to obtain a carbonaceous material with a content in water of 40-60% by weight with respect to the total weight of the mixture.This solid, without the application of the next "finishing" step (b), is termed "classic hydrochar" in the present invention, as has been described above.
El producto de partida de esta etapa es biomasa lignocelulósica sin ningún pretratamiento químico previo, independientemente de los contenidos de celulosa, hemicelulosa y lignina y los otros componentes orgánicos (por ejemplo, proteínas, aceites, compuestos naturales como terpenos, etc.) e inorgánicos (sales, cationes metálicos, óxidos metálicos, vidrio, metales, etc.).The starting product of this stage is lignocellulosic biomass without any previous chemical pretreatment, independently of the contents of cellulose, hemicellulose and lignin and the other organic components (for example, proteins, oils, natural compounds such as terpenes, etc.) and inorganic ( salts, metal cations, metal oxides, glass, metals, etc.).
● Etapa de "acabado” (b), que consiste en un secado en ausencia de oxígeno, a una temperatura más elevada que la etapa de "reacción”, de entre 200 y 400 °C, que elimina el agua y las sustancias que se pueden evaporar a estas temperaturas. Las temperaturas son relativamente suaves para no inducir reacciones de pirólisis que pueden ocurrir a partir de 400 °C y que degradarían el material carbonoso. Esta degradación convertiría material deseado como producto, como por ejemplo el carbón fijo u otras macromoléculas, en partes más volátiles, no deseados. Aparte de una posible influencia en las propiedades del material, el rendimiento al producto sólido también se ve mermado y esto induce un aumento del coste por peso del producto obtenido.● Stage of "finishing" (b), which consists of drying in the absence of oxygen, at a higher temperature than the "reaction" stage, between 200 and 400 ° C, which eliminates water and substances that are They can evaporate at these temperatures. Temperatures are relatively mild so as not to induce pyrolysis reactions that can occur from 400 ° C and that would degrade the carbonaceous material. This degradation would convert desired material as a product, such as fixed carbon or other macromolecules, into more volatile, unwanted parts. Apart from a possible influence on the properties of the material, the yield to the solid product is also reduced and this induces an increase in the cost per weight of the product obtained.
El producto de esta etapa es por un lado un material carbonoso (>60% en peso) caracterizado por un bajo contenido en volátiles y un flujo de sustancias gaseosas y/o líquidas en ebullición a la temperatura de la etapa de "acabado”.The product of this stage is on the one hand a carbonaceous material (> 60% by weight) characterized by a low volatile content and a flow of gaseous and / or boiling liquid substances at the temperature of the "finishing" stage.
● Etapa de "valorización energética” (c), en la que el flujo de gases y líquidos en ebullición procedentes de la etapa de "acabado” es conducido directamente a la unidad de generación de energía térmica para alimentar los procesos que transcurren en las etapas (a) y (b).● Stage of "energy recovery" (c), in which the flow of boiling gases and liquids from the "finishing" stage is conducted directly to the thermal energy generation unit to feed the processes that take place in the stages (a) and (b).
Ejemplo 2: Carbonización hidrotermal de biomasaExample 2: Hydrothermal carbonization of biomass
Siguiendo el procedimiento descrito en la literatura (Green Chem. 2016, 18, 1051 1060.), se depositan en un reactor 9240 kg de fracción orgánica de residuos sólidos urbanos, obtenido por recolecta selectiva, con una humedad del 75% con respecto a la masa total, y se procesa para obtener 1047 kg de hydrochar seco. El tratamiento se llevó a cabo a una temperatura comprendida entre 200 y 212 °C y una presión entre 15 y 20 atm, y un pH inferior a 7. Como efluente del reactor se obtiene una mezcla (tipo suspensión) de un material carbonoso y agua, y con un filtro-prensa se reduce la cantidad del agua hasta aproximadamente un 50% en peso. Parte del hydrochar se seca térmicamente. Este hydrochar tiene un contenido en cenizas del 13,2% en peso, un 68,2% en peso de volátiles y un 18,8% en peso de carbón fijo, todo en base seca.Following the procedure described in the literature (Green Chem. 2016, 18, 1051 1060.), 9240 kg of organic fraction of urban solid waste is deposited in a reactor, obtained by selective collection, with a humidity of 75% with respect to the total mass, and it is processed to obtain 1047 kg of dry hydrochar. The treatment was carried out at a temperature between 200 and 212 ° C and a pressure between 15 and 20 atm, and a pH below 7. As a reactor effluent, a mixture (suspension type) of a carbonaceous material and water is obtained , and with a filter-press the water amount up to about 50% by weight. Part of the hydrochar is thermally dried. This hydrochar has an ash content of 13.2% by weight, 68.2% by weight of volatiles and 18.8% by weight of fixed carbon, all on a dry basis.
Ejemplo 3: Eliminación de compuestos fitotóxicos por lavado de hydrochar (Ejemplo comparativo)Example 3: Elimination of phytotoxic compounds by washing hydrochar (Comparative example)
Se prepararon tres disoluciones tampones con pH de 3,5; 6,0 y 9,5. Para el pH 3,5 se empleó una mezcla de ácido acético/acetato, para el pH 6,0 una mezcla de KH2PO4/K2HPO4, y para el pH 9,5 una mezcla de NH4Cl/NH4.Three buffer solutions with pH 3.5 were prepared; 6.0 and 9.5. For pH 3.5, a mixture of acetic acid / acetate was used, for pH 6.0 a mixture of KH2PO4 / K2HPO4, and for pH 9.5 a mixture of NH4Cl / NH4.
En una botella de vidrio cerrada se suspendieron 0,50 g de hydrochar, producido en el reactor según el Ejemplo 2, en 45 mL de disolución tampón para cada uno de los tampones preparados, o de agua desionizada. Se agitó la suspensión durante una noche a temperatura ambiente. Se separó el hydrochar por filtración y se secó durante una noche a 100 °C en una estufa.In a closed glass bottle 0.50 g of hydrochar, produced in the reactor according to Example 2, was suspended in 45 mL of buffer solution for each of the prepared buffers, or deionized water. The suspension was stirred overnight at room temperature. The hydrochar was separated by filtration and dried overnight at 100 ° C in an oven.
El cambio en los materiales menos fitotóxicos se documentó por un análisis avanzado de cromatografía de gases multidimensional (GCxGC). Para ello se integraron las señales para todas las sustancias observadas en la muestra inicial producida y empleada en los lavados. Se estipuló el valor obtenido con la muestra inicial como el 100%. Las sustancias fitotóxicas deben estar incluidas en ellas, según la literatura, sin que puedan ser identificadas más en detalle. En la Figura 1 se muestra un ejemplo de estos análisis en un hydrochar sin tratar y un hydrochar después de una extracción con una disolución tampón de pH 3,5. Los distintos compuestos (sustancias fitotóxicas) están representados por círculos cuyo tamaño está en proporción a la cantidad detectada.The change in less phytotoxic materials was documented by an advanced analysis of multidimensional gas chromatography (GCxGC). To do this, the signals were integrated for all the substances observed in the initial sample produced and used in the washings. The value obtained with the initial sample was stipulated as 100%. Phytotoxic substances should be included in them, according to the literature, without being identified in more detail. Figure 1 shows an example of these analyzes in an untreated hydrochar and a hydrochar after an extraction with a buffer solution of pH 3.5. The different compounds (phytotoxic substances) are represented by circles whose size is in proportion to the amount detected.
Los resultados de la disminución de los compuestos fitotóxicos por diferentes lavados se resumen en la Figura 2 de manera comparativa, donde los valores (de área) se obtuvieron por análisis de cromatografía de gases multidimensional (GCxGC) y se muestran en referencia al valor obtenido con la muestra inicial (hydrochar clásico). The results of the decrease of the phytotoxic compounds by different washes are summarized in Figure 2 in a comparative manner, where the (area) values were obtained by multidimensional gas chromatography analysis (GCxGC) and are shown in reference to the value obtained with the initial sample (classic hydrochar).
Ejemplo 4: Etapa de “Acabado” para el material carbonoso renovable obtenido en el Ejemplo 2 a diferentes temperaturasExample 4: "Finishing" step for the renewable carbonaceous material obtained in Example 2 at different temperatures
El material carbonoso obtenido en el Ejemplo 2 se coloca sobre una placa porosa en un tubo de cuarzo vertical. Se pasa un flujo de nitrógeno, se calienta el tubo hasta la temperatura deseada con una rampa de 3 °C/min y se mantiene la temperatura durante 1 h.The carbonaceous material obtained in Example 2 is placed on a porous plate in a vertical quartz tube. A flow of nitrogen is passed, the tube is heated to the desired temperature with a ramp of 3 ° C / min and the temperature is maintained for 1 h.
Este procedimiento se lleva a cabo a las siguientes temperaturas, especificadas en la siguiente Tabla (el ejemplo (a) representa al hydrochar clásico sin tratamiento):This procedure is carried out at the following temperatures, specified in the following Table (example (a) represents the classic hydrochar without treatment):
Las muestras obtenidas en el tratamiento descrito se analizan por un análisis avanzado de GCxGC como se ha descrito en el Ejemplo 3 para evaluar la fitotoxicidad de las muestras.The samples obtained in the described treatment are analyzed by an advanced analysis of GCxGC as described in Example 3 to evaluate the phytotoxicity of the samples.
Se observa en la Figura 3 que el tratamiento a 200 °C es más efectivo que el tratamiento por lavados llevado a cabo en el Ejemplo 2. La cantidad de compuestos posiblemente fitotóxicos está reducido a un 12% del valor original a esa temperatura. Después del tratamiento a 250 °C ya solo se detecta un 2% de estos compuestos y después del tratamiento a 275 °C ya no se detectan estos tipos de compuestos.It is observed in Figure 3 that the treatment at 200 ° C is more effective than the wash treatment carried out in Example 2. The amount of possibly phytotoxic compounds is reduced to 12% of the original value at that temperature. After treatment at 250 ° C, only 2% of these compounds are detected and after treatment at 275 ° C these types of compounds are no longer detected.
Se observa, además, que tras el tratamiento térmico el sólido ha perdido su olor característico y es inodoro. Al menos parte de las sustancias eliminadas en el tratamiento térmico se pueden condensar a temperatura ambiente. Esta mezcla tiene un olor fuerte, similar al material carbonoso antes del tratamiento.It is also observed that after the thermal treatment the solid has lost its characteristic odor and is odorless. At least part of the substances removed in the heat treatment can be condensed at room temperature. This mixture has a strong odor, similar to the carbonaceous material before treatment.
Por otro lado, si se analiza la mezcla por cromatografía gaseosa acoplada a un detector de masas se puede identificar guaiacol (conocido por su olor ahumado y availlinado) en la mezcla, y otros derivados con grupos metilo o metoxi adicionales.On the other hand, if the mixture is analyzed by gas chromatography coupled to a mass detector, guaiacol (known for its smoked and availlinated odor) can be identified in the mixture, and other derivatives with additional methyl or methoxy groups.
Ejemplo 5: Diferencia de energía antes y después del paso del “acabado”Example 5: Energy difference before and after the step of "finishing"
Se midió el poder calorífico de las muestras preparadas en el Ejemplo 4 y los valores se muestran en la siguiente Tabla, junto con la pérdida de masa en cada tratamiento.The calorific value of the samples prepared in Example 4 was measured and the values are shown in the following Table, together with the loss of mass in each treatment.
De estos dos datos se puede calcular la cantidad de energía recuperada en el sólido, con respecto a la energía inicial del sólido antes del tratamiento.From these two data can be calculated the amount of energy recovered in the solid, with respect to the initial energy of the solid before treatment.
Se observa que tras los tratamientos a 250 y 275 °C se recupera alrededor de dos tercios de esta energía. Como se lleva a cabo el tratamiento en ausencia de oxígeno se puede asumir que el resto de la energía, un tercio de la cantidad inicial, la contienen los líquidos y vapores que se producen en este tratamiento.It is observed that after the treatments at 250 and 275 ° C about two thirds of this energy is recovered. As the treatment is carried out in the absence of oxygen, it can be assumed that the rest of the energy, a third of the initial amount, is contained in the liquids and vapors that are produced in this treatment.
Ejemplo 6: Etapa de “Acabado” para el material carbonoso renovable obtenido a partir de biomasa de poda,Example 6: "Finishing" stage for the renewable carbonaceous material obtained from pruning biomass,
Se prepara hydrochar a partir de biomasa de poda de la manera que se describe en el Ejemplo 2. La etapa de "acabado” se realiza tal y como se describe en el Ejemplo 4 a una temperatura de 200 °C a t=0, o bien manteniendo la temperatura durante una hora. Las muestras obtenidas en el tratamiento de la etapa de "acabado” se analizan tal y como se ha descrito en el Ejemplo 3 para evaluar la fitotoxicidad de las muestras.Hydrochar is prepared from pruning biomass in the manner described in Example 2. The "finishing" step is carried out as described in Example 4 at a temperature of 200 ° C at t = 0, or by maintaining the temperature for one hour. "Finished" are analyzed as described in Example 3 to evaluate the phytotoxicity of the samples.
Puede observarse en la Figura 4 que el tratamiento es igual de efectivo en la eliminación de sustancias potencialmente fitotóxicas para este hydrochar que para el hydrochar obtenido en el Ejemplo 2, obtenido a partir la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos. It can be observed in Figure 4 that the treatment is just as effective in the elimination of potentially phytotoxic substances for this hydrochar as for the hydrochar obtained in Example 2, obtained from the organic fraction of the urban solid waste.
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Also Published As
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|---|---|
| WO2019110860A1 (en) | 2019-06-13 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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