Análisis de los costes del proceso de reducción hidrotermal de dióxido de carbono con residuos de biomasa lignocelulósica como reductores

Abstract

El dióxido de carbono (CO2) es uno de los compuestos que más ha contribuido al efecto invernadero debido a la acción humana con la quema de combustibles, industria, ganadería y agricultura intensiva y el transporte. En este trabajo se exponen diferentes opciones de revalorización del dióxido de carbono como son la utilización directa del mismo como disolvente, medio de almacenamiento de energía y valorización para obtener otros compuestos de gran valor añadido como metano, gas de síntesis, metanol, dimetiléter y ácido fórmico. Este trabajo se centra en el ácido fórmico, ya que es un compuesto de gran valor añadido en la industria como conservante, aditivo, producto de limpieza, coagulante respetuoso con el medio ambiente, materia prima para la obtención de mercurio, oro y platino con la reducción de sus sales, esterificación de alcoholes y con un futuro prometedor con la obtención de hidrógeno verde y la utilización en las baterías y pilas combustibles. Para la obtención del ácido fórmico existen diferentes opciones: el método BASF (más utilizado industrialmente), Kemira-Leonard, URSS y reacción hidrotermal de CO2. En este trabajo se selecciona la obtención de ácido fórmico con la reacción hidrotermal de CO2, ya que se trata de una revalorización de un residuo como es el CO2 que se encuentra en los gases de combustión. Además, en esta reacción se utiliza como agente reductor la glucosa, obtenida partir de biomasa lignocelulósica que es un recurso renovable y respetuoso con el medio ambiente, concretamente se utiliza paja de cebada, ya que se trata de un resto que no tiene muchas aplicaciones. Para la realización de esta planta primero se realiza una operación de captación del CO2 (el volumen de emisiones se toma de la central térmica de biomasa de Briviesca, siendo 1.792.000 kg CO2/año) y conversión en bicarbonato sódico en un absorbedor mediante sosa cáustica. A continuación, se realiza una obtención de glucosa a partir de paja de cebada mediante agua en estado supercrítico. Tras la obtención de la glucosa y el bicarbonato sódico, se realiza una reacción en un reactor tubular para obtener ácido fórmico. Después, se realiza una operación de recuperación del bicarbonato sódico que no reacciona mediante un separador de membrana y finalmente, se realiza una concentración del ácido fórmico mediante una torre de destilación. Con este proceso se evitan 1.792.000 kg CO2/año a la atmósfera y a partir de ello se obtiene 3.746.098 kg ácido fórmico/año, lo que significa que se obtienen 2,1 kg ácido fórmico/ kg CO2 y se consumen 18,6 kg biomasa/ kg CO2. Adicionalmente para la realización de este proyecto existe un consumo energético de 144.661 KJ/ kg CO2. Además, se realiza un balance económico teniendo en cuenta los costes de materias primas, coste eléctrico (bombas e intercambiadores de calor principalmente) y los ingresos de venta de productos y venta de bonos de carbono tras realizar este balance se estima un beneficio de 9.283.087 €/año en esta planta.

Carbon dioxide (CO2) is one of the compounds that has contributed most to the greenhouse effect due to human action through the burning of fuels, industry, intensive livestock and agriculture, and transportation. This work presents different options for the revalorization of carbon dioxide, such as its direct use as a solvent, energy storage medium and valorization to obtain other high value-added compounds such as methane, synthesis gas, methanol, dimethyl ether and formic acid. This work focuses on formic acid, since it is a compound of great added value in industry as a preservative, additive, cleaning product, environmentally friendly coagulant, raw material for obtaining mercury, gold and platinum with the reduction of its salts, esterification of alcohols and with a promising future with the production of green hydrogen and its use in batteries and fuel cells. There are different options for obtaining formic acid: the BASF method (most commonly used industrially), Kemira-Leonard, USSR and CO2 hydrothermal reaction. This work selects the formic acid production with the CO2 hydrothermal reaction, since it is a revalorization of a residue such as CO2 found in the combustion gases. Moreover, in this reaction glucose is used as a reducing agent, obtained from lignocellulosic biomass, which is a renewable and environmentally friendly resource, specifically barley straw is used, since it is a waste that does not have many applications. For the realization of this plant, first a CO2 capture operation is carried out (these emissions are taken from the biomass thermal power plant of Briviesca, which are 1,792,000 kg CO2/year) and conversion into sodium bicarbonate in an absorber by means of caustic soda. Next, glucose is obtained from barley straw using supercritical water. After obtaining glucose and sodium bicarbonate, a reaction is carried out in a tubular reactor to obtain formic acid. Afterwards, the unreacted sodium bicarbonate is recovered by means of a membrane filter and finally, the formic acid is concentrated by means of a distillation tower. This means that 1,792,000 kg CO2/year are avoided in this process and 3,746,098 kg formic acid/year are obtained from it, which means that 2.1 kg formic acid/ kg CO2 are obtained and 18.6 kg biomass/ kg CO2 are consumed. Additionally, for the realization of this project there is an energy consumption of 144,661 KJ/ kg CO2. In addition, an economic balance is made taking into account the costs of raw materials, electricity costs (pumps and heat exchangers mainly) and income from the sale of products and sale of carbon credits, after making this balance a profit of 9,283,087 €/year is estimated for this plant.