El proceso pirolítico es aquel en el que se produce la degradación de la biomasa por efecto del calor sin la presencia de oxígeno, es decir, en una atmósfera completamente inerte.
Los productos generados tienen tres estados:
- Sólidos
- Líquidos
- Gaseosos
Corresponden a:
- Carbón o char
- Alquitranes
- Productos gaseosos o vapor piroleñoso
Este proceso puede presentarse de manera individualizada o conjuntamente dentro de procesos como combustión o gasificación, aunque no presenta la evolución comercial e industrial, como lo pueden hacer la combustión y la gasificación.
Clasificación de la pirólisis
Al requerir energía térmica para que se lleve a cabo el proceso, permite que se pueda dividir a la pirólisis en dos grupos:
- Sistemas alotérmicos o indirectos: la fuente de energía suele ser el propio gas producido o el char generado, y se transmite por conducción y radiación de las paredes del reactor.
- Sistemas autotérmicos o directos: la energía necesaria la proporciona la combustión de parte de la carga.
Desde el punto de vista operativo, la pirólisis se puede clasificar en:
- Pirólisis convencional: se emplean equipos rotatorios o de lecho móvil e incluso horno de parrilla. En cualquiera de los casos, los sistemas pueden ser directos e indirectos.
- Pirólisis rápida: conocida como fast pyrolisis. Se incluyen los sistemas de polvo en suspensión.
- Pirólisis instantánea: también conocida como flash pyrolisis. En este caso promete el lecho fluidizado en dos etapas, en el que se produce la combustión de un sólido y esto es lo que transfiere calor al sistema.
Si lo que se tiene en cuenta es la temperatura a partir de la cual se lleva a cabo el proceso, la pirólisis se podría clasificar del siguiente modo:
- Pirólisis a temperatura y velocidad de calentamiento bajas.
- Pirólisis a temperatura y velocidad de calentamiento altas.
- Pirólisis especiales: la pirólisis a vacío, la pirólisis flash y la pirólisis fast.
Proceso pirolítico
Dado que se producen un conjunto de reacciones químicas cuando se lleva a cabo la descomposición térmica de la biomasa, el tema siempre se ha abordado estudiando los diferentes componentes que constituyen el material que se va a pirolizar. El material que generalmente se ha estudiado es la madera, por lo que se procederá al análisis de los distintos componentes de la misma (celulosa, hemicelulosa y lignina).
En primer lugar, hay que decir que se pueden distinguir varias etapas en la pirólisis de la celulosa:
- La primera tiene lugar a temperaturas inferiores a 300 ºC, de tal forma que se llevan a cabo reacciones de despolimerización, oxidación, deshidratación y descarboxilación. Únicamente la celulosa que es atacada es la amorfa, por lo que aquí solo se generaría monóxido de carbono y agua.
- La segunda se lleva a cabo cuando se tienen temperaturas superiores a los 300 ºC, cuando se produce el carbón, el alquitrán (cuyo principal componente es el levoglucosano) y los productos gaseosos.
Las celulosas son más sensibles al calor, por lo que la diferenciación entre las diferentes etapas que se producen tiene lugar a temperaturas que se encuentran en el rango de 200- 260 ºC. Dan lugar en mayor medida a compuestos en fase gaseosa, menos alquitrán (sin levoglucosano) y menos carbón que la pirólisis de la celulosa.
También se producen dos etapas:
- Descomposición del polímero en fragmentos solubles.
- Conversión en unidades monómeras que rápidamente pasan a ser productos volátiles.
La pirólisis de la madera que tiene lugar es la suma de la pirólisis de sus componentes mayoritarios:
- Celulosa
- Hemicelulosa
- Lignina
Por lo que se refiere a la pirólisis de la lignina, también constituyente de la madera, genera compuestos aromáticos y mayor contenido en carbón, 55 % aproximadamente para el caso de la celulosa, mientras que para el caso de los aceites piroleñosos se genera un 20 %, un 15 % de residuo alquitranoso y un 10 % de gas.
En el caso que se pirolice biomasa forestal, las propiedades de esta influyen de manera muy notable sobre los productos resultantes. Por ejemplo, la humedad lo que hace es disminuir el rendimiento del proceso de carbonización, ya que es necesario calor para evaporar esa agua, además de generar un carbón más frágil que si la biomasa tuviera menor contenido en humedad. Por esto se aconseja que la biomasa tenga un contenido en agua cercano al 10 %.
La densidad de la materia prima inicial también influye en la calidad del carbón que se formará con la pirolización, siendo recomendable para obtener un carbón de calidad los residuos forestales. El tamaño también es importante: a mayor tamaño, peor es la transmisión de calor; se recomiendan tamaños comprendidos entre 2 y 10 cm. La composición química de la biomasa es muy importante ya que, a mayor contenido en lignina, más calidad tiene el carbón que se obtiene.
A la vista de lo comentado, la descomposición térmica de la madera tiene lugar en etapas:
- Entre 200 y 260 ºC se produce la pirólisis de la celulosa.
- Entre 240 y 350 ºC se tiene la pirólisis de la hemicelulosa.
- Entre 280 y 350 ºC se lleva a cabo la pirólisis de la lignina.
Por tanto, a la vista de las temperaturas comentadas, se tienen cuatro etapas, estableciéndose los límites de las mismas en 200 ºC, 280 ºC y 500 ºC.
Un proceso pirolítico que se encuentra en fase de desarrollo es el conocido como “pirólisis rápida”, en el que la biomasa se transforma en un líquido con un poder calorífico similar al fuelóleo. Para que se produzca, es preciso que la biomasa esté muy fina, que se lleve a cabo el proceso a una temperatura de 500 ºC y que se produzca un enfriamiento rápido de los vapores para generar mayoritariamente “bio-oil”, aunque también se generan fracciones gaseosas y sólidas que se emplean como fuente de energía en el proceso.
Este proceso se lleva a cabo en lechos fluidizados y circulantes, ya que es fácil de operar con ellos. El bio-oil generado tiene una viscosidad similar el del fuelóleo, y puede ser un perfecto sustituto de ese y del gasóleo, para la generación de energía eléctrica y/o térmica. Hoy por hoy, su transformación a biocarburante líquido no es todavía rentable.
Como aspectos más destacados de esta tecnología, que se encuentra en fase de investigación, destacan que la biomasa tiene que tener una humedad de aproximadamente el 10 % y de tamaño pequeño, la velocidad de transferencia de calor debe ser elevada, a partir de 500 ºC es cuando se lleva a cabo una máxima producción de líquidos a partir de la madera, etc.