Autorizada la entrega del proyecto al alumno: Elodie

126 Pages·2009·0.98 MB·Spanish

Obtención de biocarburantes por síntesis de CO e H

Autorizada la entrega del proyecto al alumno:

Elodie Nassoy

EL DIRECTOR DEL PROYECTO

Julio Montes Ponce de León

Fdo: Fecha:

Vº Bº del Coordinador de Proyectos

Susana Ortiz Marcos

Fdo: Fecha:

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Obtención de biocarburantes por síntesis de CO e H

OBTENCION DE BIOCARBURANTES POR SINTESIS DE CO E
H
Autor: Nassoy, Elodie.
Director: Montes Ponce de Léon, Julio.
Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO
Hoy en día, el futuro de la utilización de los combustibles fósiles es muy
incierto. Por un lado, el sector del transporte y las industrias consumen cada vez
más, y por otro lado las reservas naturales disminuyen de manera alarmante. Así,
los gobiernos y las empresas petrolíferas mundiales han empezado a preocuparse
por encontrar soluciones sostenibles adaptadas económicamente.
La alternativa que suscita mucho interés es la de los biocarburantes. Hace ya
algunos años que se ha puesto de actualidad en el mundo entero. Ciertos países
como Brasil prácticamente funcionan utilizando sólo los carburantes obtenidos a
partir de la biomasa. Es cierto que la utilización de la biomasa como materia
prima, permite ahorrar las reservas naturales de carbón o de petróleo y permite, al
mismo tiempo, reciclar la materia orgánica, limitando la emisión de gases de
efecto invernadero.
Este proyecto tiene como objeto estudiar la obtención de biocarburantes por
síntesis de monóxido de carbono y de hidrógeno. Es decir, estudiar la síntesis de
biocarburantes por el método Fischer-Tropsch a partir del monóxido de carbono y
del hidrógeno producidos mediante gasificación por plasma de compuestos
orgánicos. Asimismo, se evalúa económicamente el proceso para saber la
viabilidad de su la producción a gran escala.
El proceso Fischer-Tropsch permite convertir una mezcla de monóxido de
carbono (CO) e hidrógeno (H ) en un hidrocarburo utilizando un catalizador
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metálico. El proceso de síntesis fue inventado en Alemania en 1923. Durante la
segunda guerra mundial, se utilizó mucho para suplir el acceso a fuentes
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Obtención de biocarburantes por síntesis de CO e H

exteriores de petróleo, complicado y costoso, y también porque el país producía
mucho carbón convertible en gas de síntesis mediante un proceso de gasificación.
Así, el proceso puede ser una ventaja económica muy interesante para compensar
la fluctuación actual del precio del petróleo.
En este proyecto se estudian los procesos que permiten obtener los gases de
síntesis a partir de la biomasa. Existen procesos termo-químicos como la pirólisis
o la gasificación pero existe también un proceso termo-físico de gasificación por
plasma. El principal enfoque del proyecto es analizar las ventajas e
inconvenientes del plasma y compararlo con los otros procesos con el objeto de
analizar si es posible mejorar el rendimiento de la síntesis Fischer-Tropsch al
aumentar la actividad de los catalizadores.
Como ocurre en cada reacción química, las condiciones ambientales, de la
síntesis Fischer-Tropsch, tales como la temperatura y la presión, son muy
relevantes. Pero en esta reacción es mucho más importante el comportamiento del
catalizador seleccionado. La elección de un catalizador adecuado puede aumentar
la cinética de la reacción sin imponer inversiones costosas. Además el proceso
exige que, los gases de síntesis sean lo más puros posibles, lo que exige una etapa
de purificación de los gases producidos de manera que no inhiban las acciones de
los catalizadores y se puedan producir una mayor cantidad de productos finales al
menor coste.
Las altas temperaturas que se alcanzan durante el proceso de gasificación por
plasma permiten que las estructuras de los compuestos básicos que se introducen,
se disocien de manera definitiva e irreversible. Esta tecnología tan flexible puede
aplicarse para la valorización, por ejemplo, de residuos urbanos, convirtiendo la
materia orgánica del residuo en un gas de síntesis compuesto por hidrógeno y
monóxido de carbono, que pueden reaccionar luego por el proceso de la síntesis
Fischer-Tropsch para obtener biocombustibles. De esta manera, se emplea la
biomasa como materia prima y es posible reciclar los residuos urbanos, cada vez
más importantes en nuestra sociedad de consumo.
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Obtención de biocarburantes por síntesis de CO e H

La ventaja principal del plasma se resume en que se consigue una disociación
molecular completa, y consecuentemente se evita la presencia de elementos
volátiles y la formación de dioxinas y furanos. Además, los sistemas de filtrado y
de limpieza del proceso, que se llevan a cabo mediante el gas de síntesis,
consiguen eliminar la mayor parte de los compuestos parásitos presentes. Por lo
tanto, las condiciones en las que se desarrolla la gasificación por plasma favorecen
el que el gas de síntesis obtenido sea limpio, reduciendo al mínimo las etapas de
purificación. Por el contrario, los procesos de gasificación y de pirólisis producen
un gas de síntesis que contiene impurezas y que requiere una purificación
adecuada antes de comenzar la síntesis Fischer-Tropsch.
En el presente proyecto se selecciona un catalizador, que se estima adecuado
por sus características para incrementar la velocidad de reacción. En la elección,
se debe tomar en consideración su precio, duración de vida y actividad, así como
su selectividad con los elementos del gas de síntesis. De todas maneras, se mejora
su acción si se mejora el nivel de pureza del gas de síntesis.
Como resultado de lo que se ha dicho, la etapa de obtención de los gases de
síntesis se impone como la más crucial del proceso, dado que permite reducir
significativamente los costes generales de producción de biocarburantes, así como
mejorar el rendimiento.
Como conclusión, el proceso de obtención de los gases de síntesis a partir de
plasma parece ser el más adecuado. Sus costes operativos son equivalentes a otras
instalaciones y la gran inversión en equipos inicial se compensa con la alta
eficiencia durante la síntesis Fischer-Tropsch en el aumento de la vida y eficiencia
de los catalizadores utilizados.
Esta manera de producir biocarburantes podría ser, con tiempo e inversiones
adecuadas una alternativa muy interesante para los países que dependen ahora del
petróleo pero también a nivel medioambiental, se podría reducir las emisiones de
gases de efecto invernadero y aprovechar los desechos humanos.
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Obtención de biocarburantes por síntesis de CO e H

OBTENTION OF BIOFUELS WITH SYNTHESE OF CO AND H
SUMMARY OF THE PROJECT
Nowadays, the future of the use of fossil carburant is very uncertain.
Transports and industries keep consuming more of it while reserves shrink at an
alarming path. Therefore governments and major oil companies started to feel
concerned about this global issue and are currently searching for sustainable and
affordable solutions.
The biofuel is the most popular alternative and has been discussed a lot over
the past few years. Some countries such as Brazil exclusively use fuel coming
from biomass. The biomass used as raw material allows the saving of game
reserves of carbon and oil and allows at the same time the recycling of organic
substances, restricting emissions of green house effects gases.
The aim of this project is to study the obtaining of biofuel by the synthesis of
carbon monoxide and hydrogen. Therefore, we are going to study the synthesis of
biofuel by the Fischer-Tropsch process from carbon monoxide and hydrogen
product by plasma gasification of organic substances. We will although study the
economical aspect of the process to see if it is viable for producing on a large
scale.
The Fischer-Tropsch process converts a melt of carbon monoxide and
hydrogen into a hydrocarbon using a metallic catalyst. The synthesis process was
invented in 1923 in Germany. During the Second World War, it was used by
Germans a lot because the exterior access to oil was complicated and expensive,
but also because the country was a big producer of carbon convertible into a
synthesis gas thanks to a gasification process. Moreover, the process offers a very
interesting economical advantage, which is well appreciated in times of oil price
fluctuations.
In this project we will study ways for obtaining synthesis gases from biomass.
One can find termochemical processes like pyrolysis and gasification but also
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Obtención de biocarburantes por síntesis de CO e H

termophysical processes of plasma gasification. The principal interest of the
project is to analyze advantages and drawbacks of plasma and compare it with
others global processes to analyze if it is possible to improve the efficiency of the
Fischer-Tropsch synthesis without disturbing catalyst actions.
As in every chemical reaction, operative conditions like temperature or
pressure are very important. For all that, we also have to consider the choice of an
appropriate catalyst to increase kinetic avoiding expensive investments.
Furthermore, the synthesis gases have to be the purest possible to reduce
purification costs without inhibiting catalysts actions, producing more final
products.
The high temperatures reached during the plasma gasification process allow the
structure of basics components to separate from each other in a permanent and
irreversible way. This very flexible technology could be a valorization system for
urban residues. By converting the organic substance of the residue into a synthesis
gas, composed with carbon monoxide and hydrogen, it is then possible to realize
the Fischer-Tropsch synthesis and obtain biocombustibles. In this way, biomass is
used as a raw material and makes it possible recycling urban residues, which are
every day more important in our consuming society.
The principal advantage of plasma is that the molecular dissociation is
complete and consequently there is no production of volatiles elements and
formation of dioxins and furans. In addition, filtration and cleaning systems
during the process for the synthesis gas eliminate most part of parasites. Because
of this, spendings in purification at the next step are lower or inexistent. The
synthesis gas obtained is very clean because of the plasma gasification conditions.
Conversely, pyrolysis and gasification processes produce a synthesis gas with
impurities and force a preliminary purification before starting the Fischer-Tropsch
synthesis.
On the other hand, the second aim of the project is to choose an efficient
catalyst because its part is to increase the reaction velocity during the Fischer-
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Obtención de biocarburantes por síntesis de CO e H

Tropsch synthesis. Because of that, costs, life duration, activity and selectivity of
the catalyst are very competitive in comparison with other processes. The purest
the synthesis gas is, the more efficient is the catalyst action.
As a result, the synthesis gas obtaining step is the most crucial during the
process because it reduces significantly general costs of biofuels production and
improves the yield.
All in all, the plasma process seems to fit best today’s demand. Its functioning
costs are equal to others while its high efficiency during the Fischer-Tropsch
synthesis and the economy of useful and expensive catalysts make up for and the
important initial investment.
This way to produce biofuels could be, with time and appropriated
investments, a very interesting alternative for countries which depend on oil but
also from an ecologic point of view for reducing greenhouse gas emissions and
make a good use of urban residues.
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Obtención de biocarburantes por síntesis de CO e H

Índice

1. Introducción y planteamiento del proyecto……….13

1.1. Motivación y contexto del proyecto…………………14
1.2. Objetivos generales y justificación………………….16
1.3. Metodología y recursos………………………………17
1.4. Estructura de la memoria……………………………18

2. Presentación del proceso Fischer-Tropsch………..20

2.1. Introducción…………………………………………..21
2.2. Historia………………………………………………...22
2.3. Descripción de la tecnología………………………….24
2.3.1. La obtención de los gases de síntesis: descripción general de
los procesos
2.3.1.1. Pirólisis
2.3.1.2. Gasificación
2.3.1.3. Comparación entre la pirólisis y la gasificación
2.3.1.4. Plasma
2.3.2. La purificación del gas de síntesis
2.3.3. La síntesis Fischer-Tropsch
2.3.4. La selección de catalizadores
2.3.5. La mejora de los productos finales
2.3.6. Aplicaciones
2.4. Reacciones químicas………………………………….57
2.5. Reactores para el proceso Fischer-Tropsch…………60
2.5.1. El reactor tubular de lecho fijo (TFB)
2.5.2. El reactor de lecho fluidizado de alta temperatura (CFB)
2.5.3. El reactor Synthol avanzado de Sasol de lecho fijo
fluidizado (FFB)
2.5.4. El reactor Flurry de baja temperatura
2.6. Limitaciones…………………………………………...63
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Obtención de biocarburantes por síntesis de CO e H

3. Síntesis de biocarburantes obtenidos por el método
Fischer-Tropsch a partir de la biomasa…………...64

3.1. La biomasa…………………………………………….65
3.1.1. Definición
3.1.2. Las diferentes fuentes de biomasa
3.1.2.1. Los residuos industriales
3.1.2.2. Los residuos agro-ganaderos
3.1.2.3. Los residuos forestales
3.1.2.4. Los residuos urbanos
3.1.2.5. Los cultivos energéticos
3.1.3. Las características de la biomasa
3.1.3.1. Tipo de biomasa
3.1.3.2. Composición química
3.1.3.3. Contenido de humedad
3.1.3.4. Poder calorífico: PCS-PSI
3.1.4. Procesos de conversión
3.1.4.1. Procesos termo-químicos o termo-físicos
3.1.4.2. Procesos bioquímicos
3.1.5. Ventajas socioeconómicas del uso energético de la biomasa
3.1.6. Aspectos económicos
3.2. Procesos de obtención de gases a partir de la
biomasa………………………………………………..82
3.2.1. Pirólisis de biomasa
3.2.2. Gasificación de biomasa
3.2.3. Utilización del plasma
3.3. Purificaciones de los gases……………………………87
3.4. Proceso Fischer-Tropsch para la síntesis de productos
orgánicos a partir de gases procedentes de la
biomasa………………………………………………..88
3.5. Los biocarburantes…………………………………...89
3.5.1. Generalidades
3.5.2. El biodiesel
3.5.3. El bioetanol

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Obtención de biocarburantes por síntesis de CO e H

4. Estudio económico…………………………………102

4.1. Inversión inicial o CAPEX (Capital
expenditure).................................................................103
4.2. Gastos de operación de la inversión o OPEX
(Operacional Expenditure)…………………………104
4.3. Beneficios generados por la instalación……………108
4.4. Amortización………………………………………...109
4.5. Beneficios anuales…………………………………...109

5. Análisis de resultados…………………………….111

6. Estudio del impacto medio ambiental……………113

6.1. Lo que aporta la utilización de la biomasa como
materia prima………………………………………..114
6.1.1. Cambio climático e efecto invernadero
6.1.2. Lluvia acida
6.1.3. Erosión de suelos y contaminación de agua
6.1.4. Contaminación por basura urbana
6.1.5. Incendios forestales
6.1.6. Desventajas
6.2. Lo que aporta la utilización de un combustible
Fischer-Tropsch……………………………………..115
6.3. Lo que aporta la utilización de biocarburantes……119

7. Conclusiones……………………………………….121

8. Bibliografía………………………………………...124

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