Low temperature upgrading of moist agroindustrial wastes for subsequent energy uses

Resumen

El trabajo de investigación desarrollado en la presente tesis versa sobre la mejora de las propiedades de residuos agroindustriales húmedos mediante las técnicas de torrefacción y carbonización hidrotérmica, para posteriores aplicaciones energéticas. En la región Mediterránea se concentran los principales países productores de aceite de oliva, conservas y zumos a nivel mundial, y como consecuencia, esta región produce enormes cantidades de residuos agroindustriales húmedos que precisan de tratamientos de gestión y eliminación. Desafortunadamente, su empleo en aplicaciones energéticas no es una opción eficiente, ya que estos residuos cuentan con una humedad superior al 65% y con una baja densidad energética. Por tanto, el principal objetivo del presente trabajo es convertir tales residuos en materiales adecuados para su posterior aprovechamiento energético. Para ello, se han seleccionado los tratamientos de torrefacción (TF) y carbonización hidrotérmica (HTC), con el fin de maximizar la fracción de sólidos y minimizar los requerimientos energéticos y los costes, ya que se trata de pretratamientos térmicos de baja temperatura. Por un lado se ha llevado a cabo la TF de residuos de la almazara. Por otro, se ha estudiado la carbonización hidrotérmica de estos mismos residuos y de residuos de alcachofa y naranja. Mediante los primeros trabajos de investigación, se confirmó que el proceso de HTC es energéticamente más eficiente para tratar residuos húmedos que el tratamiento seco de TF, permitiendo conseguir ahorros energéticos de hasta el 50%. Por ello, dado que se consideró que el proceso de HTC era más idóneo que el de TF para tratar este tipo de residuos, las siguientes investigaciones se centraron en estudiar en mayor profundidad el proceso de HTC y las propiedades del hydrochar en posibles aplicaciones energéticas. En primer lugar se estudió el efecto de los lípidos en el proceso de HTC. En este estudio se encontró que los lípidos son retenidos en el sólido, gracias a lo cual mejoran sus propiedades hidrofóbicas y disminuye su humedad tras el secado mecánico, lo cual implica mayores ahorros energéticos. Además, se observó que los lípidos disuelven y retienen sobre el sólido sustancias liposolubles con propiedades antimicrobianas, de modo que al aumentar el contenido en lípidos mejora la biodegradabilidad del líquido producido durante la carbonización hidrotérmica. Seguidamente se procedió a estudiar la aplicación del hydrochar en sistemas de aprovechamiento energético. Al considerar este material como fuente de energía renovable, es preciso atender al comportamiento de sus cenizas y a las emisiones relacionadas con su combustión. Tras comprobar la tendencia de las cenizas del hydrochar a formar depósitos en las instalaciones de combustión, se prosiguió con un estudio que pretendía mejorar la temperatura de fusión de las cenizas para mitigar tales problemas. Para ello se modificó la concentración de las mismas mediante la utilización de aditivos tales como la cáscara de arroz y otros aditivos minerales. Los resultados mostraron que mediante la adición de cáscara de arroz o caolín es posible aumentar la temperatura de fusión de la ceniza hasta valores superiores a 1500ºC. Entre ellos, se consideró que la cascara de arroz es el aditivo más adecuado, ya que al tratarse de un residuo reúne los requisitos necesarios en cuanto a economía y sostenibilidad. Siguiendo con las aplicaciones energéticas, se estudiaron las emisiones asociadas a la combustión del hydrochar, comparándolas con aquellas relacionadas con la combustión del residuo sin tratar y con combustibles convencionales, como el carbón mineral antracita y la madera. Primero, se llevaron a cabo experimentos de combustión en un horno de laboratorio, mediante los cuales se comprobó que tanto el hydrochar como el TF-char dan lugar a un 40% menos de hidrocarburos ligeros con respecto al residuo sin tratar, mientras que aumentan la emisión de SVOCs y PAHs en un 50%. En comparación con los combustibles convencionales, hydrochar y TF-char dieron lugar a emisiones sustancialmente superiores que la antracita, mientras que las emisiones fueron comparables a las de la madera. Experimentos llevados a cabo en una estufa doméstica de pellets mostraron que la toxicidad de las emisiones asociadas al hydrochar era similar a la del residuo sin tratar. Sin embargo, dicha toxicidad prácticamente duplicaba la toxicidad de las emisiones asociadas a la madera, por lo que se concluyó que es necesario asegurar buenas condiciones de combustión para minimizar la formación de emisiones tóxicas. Finalmente, se llevó a cabo el análisis del ciclo de vida de pretratamiento de HTC seguido del aprovechamiento energético del hydrochar para determinar sus implicaciones ambientales y comparar éstas con los impactos asociados con los tratamientos biológicos y térmicos de gestión actuales. Los resultados indicaron que el escenario propuesto en el presente trabajo era más beneficioso medioambientalmente que cualquiera de los tratamientos biológicos considerados (digestión anaerobia y compostaje). Sin embargo, los resultados no fueron tan prometedores cuando este escenario se comparó con la incineración directa de los residuos, debido a las pérdidas energéticas que suceden durante el proceso de HTC y la emisión directa de la fase líquida de HTC al medioambiente. Por ello, se recomienda que los futuros esfuerzos de investigación se centren en evaluar apropiados tratamientos de gestión de la fase líquida producida en HTC para evitar su descarga directa al medioambiente, así como en conseguir mejorar la eficiencia de recuperación de energía en el hydrochar.