Valorización de biomasas residuales mediante el proceso de pirólisis para producción de biochar y biocombustibles

espanolEn una sociedad en el que el crecimiento de emisiones de CO2 a la atmosfera se ha duplicado en los ultimos 50 anos, cuyo origen esta focalizado en las emisiones antropogenicas, el desarrollo y fomento de nuevas tecnologias implementadas a partir de las politicas ambientales, se considera una estrategia importante para promover el cambio del escenario actual y mitigar el cambio climatico. Bajo una vision medioambiental basada en los conceptos de economia circular, sostenibilidad y uso de los recursos naturales, potenciando una economia hipocarbonica, el presente trabajo contempla el empleo de la pirolisis como una tecnologia medioambiental para la gestion de residuos biomasicos, obtencion de biocombustibles y de biochar. Asi, el objeto de este estudio se ha sustentado en los efectos positivos que su implantacion generaria, a traves de la reduccion de residuos y de emisiones de carbono, del desarrollo de nuevos productos y de la reduccion de los costes asociados al uso de esta tecnologia. La pirolisis cuyo termino indica su propia definicion, piro (fuego) y lisis (fraccionamiento en partes), genera tres productos potenciales que presentan una mejora del ciclo de carbono y tienen una componente energetica, aquellos denominados carbonizado o fraccion solida, aceites de pirolisis o fraccion liquida y fraccion gaseosa. En el presente trabajo se estudia el tratamiento a traves del proceso de pirolisis rapida en escala semi-piloto de residuos agrarios (paja de colza), caracterizados por su mayor dificultad de tratamiento, para estudiar el efecto que los cambios en las condiciones de produccion pueden causar en la distribucion de productos de las fracciones, especialmente en los denominados aceites de pirolisis. Tambien se contempla en esta escala de trabajo el tratamiento a traves del proceso de pirolisis lenta de este mismo residuo y del residuo de sarmiento, para valorar las diferencias de los procesos de pirolisis rapida y lenta y evaluar como la fraccion solida se ve influenciada por los mismos cambios de condiciones. Ademas se estudia el efecto de la materia inorganica asociada en la pirolisis de este tipo de biomasas, concluyendo su prioridad de gestion a traves de pirolisis lenta en el estado actual, para produccion de “biochar”. Con objeto de valorar el efecto de fijacion de carbono en la estructura del carbonizado, se evalua este a traves de dos metodos indirectos de medicion. Por un lado, su evaluacion por resistencia estructural a la oxidacion completa y por otro lado, a traves de procesos de degradacion quimica, que simulan el comportamiento que presentarian en el suelo tras su aplicacion. De los resultados de esta fase, se contempla una nueva propuesta de referencia estructural basada en los cambios estructurales de los compuestos lignocelulosicos en lugar de la referencia actual, el grafito. Ademas, se relacionan ambos metodos de medicion encontrandose una sinergia entre la estabilidad estructural y su resistencia a la degradacion en suelos. En un salto a la investigacion aplicada, se procesan en un reactor a escala piloto de 15 a 20 Kg/h de capacidad maxima, una variedad de biomasas residuales de diferentes origenes: poda de olivo, madera de pino, cascara de almendra y hueso de aceituna. Se evalua la factibilidad de procesamiento, la posibilidad de alcanzar procesos auto-termicos energeticamente a partir de la valorizacion de los aceites de pirolisis y la fraccion gaseosa, y de esta forma actuar no solo sobre el producto, sino tambien sobre la mejora del proceso. Finalmente, tambien se contempla la evaluacion de las caracteristicas fisico-quimicas del carbonizado, estudiando el efecto de retencion de carbono en funcion de la biomasa de partida y de las temperaturas de operacion y se proponen alternativas de uso cuando no puede ser utilizado como enmendante en suelos. EnglishAnthropogenic CO2 emissions have been duplicated in the past 50 years. These emissions have their origin in the population size, the economic activity, the life style, the use of new technologies, and the energy use. The promotion and development of environmental policies are key tools to change the current scenery and mitigate the climate change. Under the environmental vision of circular economy, sustainability and rational use of natural resources, this work presents the use of the pyrolysis process as an environmental technology to manage biomass residues, producing energy and biochar. The scope of this work is based on the positive effect that this technology generates when it is used for residues management, reducing CO2 emissions, creating new products and reducing cost derived from the use of this technology. The term of “pyrolysis” coming from the Greek alphabet points their own meaning, “pyro” (fire) and “lysis” (breaking into several parts), giving three main products that improve the CO2 cycle and having fuel features. These fractions are biochar, bio-oil and pyrolysis gases. Firstly, the treatment through fast pyrolysis is studied for bio-oil production taking into account the high difficulty in processing an agroresidual biomass (rape straw) in this process due to its inorganic matter. Thus, this study is focused on the changes in yields and bio-oil characteristics developed when the production conditions are modified. Secondly, the rape straw as well as a vine shoot biomasses are processed under slow pyrolysis to evaluate yields and characteristics of the charred fraction when the production conditions are modified, being also studied the effect of its inorganic matter content. The purpose is to compare the differences between slow and fast pyrolysis and to identify the use as biochar of this charred fraction. Thirdly, the measurement of the carbon fixed into the biochar structure is studied through indirect methods. The high recalcitrance index (R50) measures the structural strength named as “recalcitrance” and the accelerated ageing test measures the chemical degradation that it will show when it is applied to soils. When these methods are used for our samples some limitations were found, proposing some modifications in this work, especially in the R50 method. Afterwards, a correlation between both was found. Finally, a variety of biomasses were processed in a pilot scale reactor with 15-20 kg/h of maximum capacity. These biomasses were olive tree pruning, pine wood, almond shells and olive pits. The feasibility of processing them was evaluated as well as the chance of getting auto-thermal pyrolysis processes with the energy contained in the pyrolysis gas and bio-oil. Moreover, the physical features of the biochars and their carbon retention capacity were assessed as function of the feedstock and the pyrolysis temperature. Alternative application as fuel is proposed for this charred fraction in case that its use as biochar may not be advisable.