Despolimerización térmica

La despolimerización térmica (TDP) es un proceso de despolimerización que utiliza pirólisis hidratada para la reducción de materiales orgánicos complejos (generalmente productos de desecho de varios tipos, a menudo biomasa y plástico) en petróleo crudo ligero. Imita los procesos geológicos naturales que se cree están involucrados en la producción de combustibles fósiles. Bajo presión y calor, los polímeros de cadena larga de hidrógeno, oxígeno y carbono se descomponen en hidrocarburos de petróleo de cadena corta con una longitud máxima de alrededor de 18 carbonos.

Las posibles formas de degradar un polímero son:

Térmico: largo tiempo de secado, largo tiempo de residencia en extrusora o transferencia de combustible
Mecánica: rectificado, fricción en el procesado.
Fotoquímica
Radiacion quimica
Biológico: microorganismos.
Química: agentes hidrolíticos, hidrólisis.
La despolimerización es una categoría especial de degradación, es el proceso que convierte el polímero en un monómero, una mezcla de monómeros u oligómeros. La despolimerización es un proceso de descomposición de la cadena polimérica a sus monómeros u oligómeros. Por lo general, se logra con alta temperatura (térmica) o agentes hidrolíticos (químicos).

Comúnmente, la despolimerización térmica se clasifica como la reacción química en la cual la cadena de polímero se convierte en monómeros de alta temperatura.

La despolimerización ocurre durante la descomposición térmica del polimetilmetactilato (PMMA), el poliestireno (PS) y algunas resinas del metacrilato. En general, los polímeros generados por adición, pueden ser despolimerizados por altas temperaturas, mientras que los polímeros de condensación tales como poliamida (PA) y poliésteres (PET, PBT) no se despolimerizan térmicamente.

La despolimerización química es que los compuestos químicos que contienen átomos de hidrógeno activos reaccionan con los grupos polares en las cadenas principales del polímero de condensación.Generalmente, esta reacción es una hidrólisis ácida o básica (rotura de enlaces de hidrógeno) de los enlaces en la amida, éster o uretano.

Teoria y proceso
Las técnicas anteriores para escindir los polímeros de hidrocarburos han gastado una gran cantidad de energía para eliminar el exceso de agua. La despolimerización térmica, por otro lado, utiliza agua para mejorar el proceso de calentamiento, y el agua también suministra hidrógeno de sus moléculas a las reacciones.

La materia prima se muele primero y se mezcla con agua si está demasiado seca. Luego se calienta a 250 ° C y se somete a una presión de 4 MPa durante aproximadamente 15 minutos. Luego, la presión cae rápidamente, causando que la mayor parte del agua se evapore. El resultado es una mezcla de hidrocarburos y sólidos que se separan. Los hidrocarburos se calientan de nuevo a 500 ° C, causando que otras moléculas se escindan. La mezcla resultante de hidrocarburos líquidos se destila de manera similar al aceite convencional.

La compañía afirma que la eficiencia energética de este proceso es del 560% (85 unidades de energía producidas por 15 unidades de energía consumida). Se puede lograr una mayor eficiencia con insumos más ricos en carbono, como los residuos plásticos.

A modo de comparación, los métodos actuales utilizados para producir biodiesel y bioetanol a partir de fuentes agrícolas tienen una eficiencia energética de alrededor del 320%.

Por medio de la despolimerización térmica, una variedad de materiales, incluidos los venenos y los desechos hospitalarios poco degradables, se pueden escindir.

Por otro lado, muchos residuos agrícolas posibles que podrían servir como materia prima ya se utilizan como fertilizante, combustible o alimento para animales.

Procesos similares
La despolimerización térmica es similar a otros procesos que utilizan agua sobrecalentada como un paso importante para producir combustibles, como la licuefacción hidrotermal directa. Estos son distintos de los procesos que utilizan materiales secos para despolimerizar, como la pirólisis. El término conversión termoquímica (TCC) también se ha utilizado para la conversión de biomasa en aceites, utilizando agua sobrecalentada, aunque se aplica más habitualmente a la producción de combustible a través de la pirólisis. Otros procesos a escala comercial incluyen el proceso “SlurryCarb” operado por EnerTech, que utiliza tecnología similar para descarboxilar residuos sólidos húmedos, que luego se pueden deshidratar físicamente y usar como un combustible sólido llamado E-Fuel. La planta en Rialto, California, fue diseñada para procesar 683 toneladas de desechos por día. Sin embargo, no logró cumplir con los estándares de diseño y se cerró. La instalación de Rialto incumplió con el pago de sus bonos y está en proceso de ser liquidada. El proceso de Mejoramiento Térmico Hidro (HTU) utiliza agua sobrecalentada para producir petróleo a partir de desechos domésticos. Se debe iniciar una planta de demostración en los Países Bajos, que se dice que es capaz de procesar 64 toneladas de biomasa (base seca) por día en petróleo. La despolimerización térmica difiere en que contiene un proceso hidratado seguido de un proceso de craqueo / destilación anhidro.

Historia
La despolimerización térmica es similar a los procesos geológicos que produjeron los combustibles fósiles utilizados hoy en día, excepto que el proceso tecnológico ocurre en un plazo medido en horas. Hasta hace poco, los procesos diseñados por el hombre no eran lo suficientemente eficientes para servir como una fuente práctica de combustible, se requería más energía de la que se producía.

El primer proceso industrial para obtener gas, combustibles diesel y otros productos derivados del petróleo mediante pirólisis de carbón, alquitrán o biomasa fue diseñado y patentado a fines de la década de 1920 por Fischer-Tropsch. En la patente estadounidense 2.177.557, expedida en 1939, Bergstrom y Cederquist analizan un método para obtener aceite de madera en el que la madera se calienta a presión en agua con una cantidad significativa de hidróxido de calcio agregado a la mezcla. A principios de la década de 1970, Herbert R. Appell y sus colaboradores trabajaron con métodos de pirólisis hidratada, como se ilustra en la patente de EE. UU. 3.733.255 (publicada en 1973), que analiza la producción de petróleo a partir de lodos de alcantarillado y desechos municipales calentando el material en agua, bajo presión, y en presencia de monóxido de carbono.

Paul Baskis, un microbiólogo de Illinois, desarrolló un enfoque que excedía el punto de equilibrio en la década de 1980 y lo refinó durante los siguientes 15 años (ver patente de EE. UU. 5,269,947, publicada en 1993). La tecnología fue finalmente desarrollada para uso comercial en 1996 por Changing World Technologies (CWT). Brian S. Appel (CEO de CWT) tomó la tecnología en 2001 y la expandió y la cambió a lo que ahora se conoce como TCP (Proceso de conversión térmica), y ha solicitado y obtenido varias patentes (consulte, por ejemplo, la patente publicada 8,003,833 , emitido el 23 de agosto de 2011). Una planta de demostración de despolimerización térmica se completó en 1999 en Filadelfia por Thermal Depolymerization, LLC, y la primera planta comercial a gran escala se construyó en Carthage, Missouri, a unas 100 yardas (91 m) de la planta de pavo Butterball de ConAgra Foods, donde se espera que procese unas 200 toneladas de desechos de pavo en 500 barriles (79 m3) de petróleo por día.

Teoria y proceso
En el método utilizado por CWT, el agua mejora el proceso de calentamiento y aporta hidrógeno a las reacciones.

En el proceso de Changes World Technologies (CWT), el material de alimentación se tritura primero en trozos pequeños y se mezcla con agua si está especialmente seco. Luego se alimenta a una cámara de reacción en un recipiente a presión donde se calienta a un volumen constante hasta alrededor de 250 ° C. De manera similar a una olla a presión (excepto a una presión mucho más alta), el vapor aumenta naturalmente la presión a 600 psi (4 MPa) (cerca del punto de agua saturada). Estas condiciones se mantienen durante aproximadamente 15 minutos para calentar completamente la mezcla, después de lo cual la presión se libera rápidamente para hervir la mayor parte del agua (ver: evaporación súbita). El resultado es una mezcla de hidrocarburos crudos y minerales sólidos. Los minerales se eliminan y los hidrocarburos se envían a un reactor de segunda etapa donde se calientan a 500 ° C, rompiendo aún más las cadenas de hidrocarburos más largas.Los hidrocarburos se clasifican luego por destilación fraccionada, en un proceso similar al refinado de petróleo convencional.

La compañía CWT afirma que del 15 al 20% de la energía de la materia prima se utiliza para proporcionar energía a la planta. La energía restante está disponible en el producto convertido.Trabajando con despojos de pavo como materia prima, el proceso demostró tener eficiencias de rendimiento de aproximadamente el 85%; en otras palabras, la energía contenida en los productos finales del proceso es el 85% de la energía contenida en los insumos del proceso (especialmente el contenido de energía de la materia prima, pero también incluye electricidad para bombas y gas natural o gas de madera para calefacción). ). Si se considera que el contenido de energía de la materia prima es libre (es decir, material de desecho de algún otro proceso), entonces se ponen a disposición 85 unidades de energía por cada 15 unidades de energía consumidas en el proceso de calefacción y electricidad. Esto significa que la “Energía devuelta en energía invertida” (EROEI) es (6.67), que es comparable a otros procesos de recolección de energía. Se pueden lograr mayores eficiencias con materias primas más secas y más ricas en carbono, como residuos de plástico.

En comparación, los procesos actuales [especificados] utilizados para producir etanol y biodiesel a partir de fuentes agrícolas tienen un EROEI en el rango de 4.2, cuando se contabiliza la energía utilizada para producir las materias primas (en este caso, generalmente caña de azúcar, maíz, soja y me gusta). Estos valores de EROEI no son directamente comparables, porque estos cálculos de EROEI incluyen el costo de energía para producir la materia prima, mientras que el cálculo anterior de EROEI para el proceso de despolimerización térmica (TDP) no lo hace.

El proceso rompe casi todos los materiales que se alimentan en él. El TDP incluso destruye eficientemente muchos tipos de materiales peligrosos, como venenos y agentes biológicos difíciles de destruir, como los priones.

Materia prima Los aceites Gases Sólidos (en su mayoría basados ​​en carbono) Vapor de agua)
Botellas de plástico 70% dieciséis% 6% 8%
Desechos médicos sesenta y cinco% 10% 5% 20%
Llantas 44% 10% 42% 4%
Despojos de pavo 39% 6% 5% 50%
Lodos de aguas residuales 26% 9% 8% 57%
Papel (celulosa) 8% 48% 24% 20%

(Nota: el papel / celulosa contiene al menos 1% de minerales, que probablemente se agruparon en sólidos de carbono).

Productos vegetales de cartago
Como se informó el 02/04/2006 por la revista Discover, una planta de Carthage, Missouri, producía 500 barriles por día (79 m3 / d) de petróleo hecho de 270 toneladas de entrañas de pavo y 20 toneladas de manteca de cerdo. Esto representa un rendimiento de aceite del 22,3 por ciento. La planta de Cartago produce API 40+, un crudo de alto valor. Contiene naftas ligeras y pesadas, un queroseno y una fracción de gasóleo, esencialmente sin aceites combustibles pesados, alquitranes, asfaltenos o ceras. Se puede refinar aún más para producir aceites combustibles No. 2 y No. 4.

Clasificación de aceite TDP-40 por el método P-D de D-5443

Material de salida % por peso
Parafinas 22%
Olefinas 14%
Naftenos 3%
Aromaticos 6%
C14 / C14 + 55%
100%

Los sólidos de carbono fijos producidos por el proceso TDP tienen múltiples usos como filtro, fuente de combustible y fertilizante. Puede utilizarse como carbón activado en el tratamiento de aguas residuales, como fertilizante o como combustible similar al carbón.

Ventajas
El proceso puede descomponer los venenos orgánicos, debido a la ruptura de enlaces químicos y la destrucción de la forma molecular necesaria para la actividad del veneno. Es probable que sea altamente efectivo para matar patógenos, incluidos los priones. También puede eliminar de forma segura los metales pesados ​​de las muestras convirtiéndolos de sus formas ionizadas u organometálicas a sus óxidos estables, que se pueden separar de forma segura de los otros productos.

Junto con procesos similares, es un método para reciclar el contenido de energía de los materiales orgánicos sin eliminar primero el agua. Puede producir combustible líquido, que se separa del agua físicamente sin necesidad de secado. Otros métodos para recuperar energía a menudo requieren un secado previo (p. Ej., Quemado, pirólisis) o producir productos gaseosos (p. Ej., Digestión anaeróbica).

Fuentes potenciales de insumos de residuos.
La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos estima que en 2006 había 251 millones de toneladas de residuos sólidos municipales, o 4.6 libras generadas por día por persona en los Estados Unidos. Gran parte de esta masa se considera inadecuada para la conversión de aceite.

Limitaciones
El proceso solo rompe las cadenas moleculares largas en otras más cortas, por lo que las moléculas pequeñas como el dióxido de carbono o el metano no se pueden convertir en aceite a través de este proceso. Sin embargo, el metano en la materia prima se recupera y se quema para calentar el agua que es una parte esencial del proceso. Además, el gas se puede quemar en una planta combinada de calor y energía, que consiste en una turbina de gas que impulsa un generador para generar electricidad, y un intercambiador de calor para calentar el agua de entrada del proceso del gas de escape. La electricidad se puede vender a la red eléctrica, por ejemplo, bajo un esquema de tarifas de alimentación. Esto también aumenta la eficiencia general del proceso (ya se dice que es más del 85% del contenido energético de la materia prima).

Otra opción es vender el producto de metano como biogás. Por ejemplo, el biogás se puede comprimir, al igual que el gas natural, y se usa para impulsar vehículos motorizados.

Se podrían procesar muchos desechos agrícolas y animales, pero muchos de estos ya se utilizan como fertilizantes, alimentos para animales y, en algunos casos, como materias primas para las fábricas de papel o como combustible para calderas. Los cultivos energéticos constituyen otra materia prima potencialmente grande para la despolimerización térmica.

Estado actual
Los informes de 2004 afirmaron que la instalación de Cartago vendía productos a un 10% por debajo del precio del petróleo equivalente, pero sus costos de producción eran lo suficientemente bajos como para producir una ganancia. En el momento en que estaba pagando por los residuos de pavo (ver también más abajo).

Luego, la planta consumió 270 toneladas de despojos de pavo (la producción total de la planta de procesamiento de pavo) y 20 toneladas de desechos de producción de huevos por día. En febrero de 2005, la planta de Cartago producía aproximadamente 400 barriles por día (64 m3 / d) de petróleo crudo.

En abril de 2005, se informó que la planta funcionaba con pérdidas. Otros informes de 2005 resumieron algunos contratiempos económicos que la planta de Cartago encontró desde sus etapas de planificación. Se pensó que la preocupación por la enfermedad de las vacas locas evitaría el uso de residuos de pavo y otros productos animales como alimento para el ganado, y por lo tanto, estos residuos serían gratuitos. Al final resultó que, los desechos de pavo todavía se pueden usar como alimento en los Estados Unidos, por lo que la instalación debe comprar ese material de alimentación a un costo de $ 30 a $ 40 por tonelada, agregando de $ 15 a $ 20 por barril al costo del petróleo. El costo final, a partir de enero de 2005, fue de $ 80 / barril ($ 1.90 / gal).

El costo de producción anterior también excluye el costo de operación del oxidante térmico y la depuradora agregados en mayo de 2005 en respuesta a las quejas de olor (ver más abajo).

Un crédito fiscal para biocombustibles de aproximadamente $ 1 por galón estadounidense (26 ¢ / L) en costos de producción no estaba disponible porque el petróleo producido no cumplía con la definición de “biodiesel” según la legislación fiscal estadounidense pertinente. La Ley de Política Energética de 2005 agregó específicamente la despolimerización térmica a un crédito de diesel renovable de $ 1, que entró en vigencia a fines de 2005, permitiendo una ganancia de $ 4 por barril de petróleo de salida.

Expansión de la empresa
La compañía ha explorado la expansión en California, Pensilvania y Virginia, y actualmente está examinando proyectos en Europa, donde los productos animales no se pueden usar como alimento para ganado. El TDP también se está considerando como un medio alternativo para el tratamiento de aguas residuales en los Estados Unidos.

Oler quejas
La planta piloto en Cartago se cerró temporalmente debido a quejas de olores. Pronto se reinició cuando se descubrió que la planta generaba pocos olores. Además, la planta acordó instalar un oxidante térmico mejorado y actualizar su sistema de depuración de aire bajo una orden judicial.Dado que la planta está ubicada a solo cuatro cuadras del centro de la ciudad que atrae turistas, esto ha tensado las relaciones con el alcalde y los ciudadanos de Cartago.

Según una portavoz de la compañía, la planta ha recibido quejas incluso en los días en que no está en funcionamiento. También sostuvo que los olores pueden no haber sido producidos por sus instalaciones, que se encuentran cerca de varias otras plantas de procesamiento agrícola.

El 29 de diciembre de 2005, el gobernador del estado ordenó a la planta que cerrara una vez más debido a las denuncias de malos olores según lo informado por MSNBC.

A partir del 7 de marzo de 2006, la planta ha iniciado pruebas limitadas para validarla y ha resuelto el problema del olor.

A partir del 24 de agosto de 2006, la última demanda relacionada con la cuestión del olor ha sido desestimada y el problema se reconoce como resuelto. A finales de noviembre, sin embargo, otra queja fue presentada por malos olores. Esta queja se cerró el 11 de enero de 2007 sin multas.

Estado a febrero de 2009
Un artículo de mayo de 2003 en la revista Discover decía: “Appel ha alineado el dinero de la subvención federal para ayudar a construir plantas de demostración para procesar despojos de pollos y estiércol en Alabama, y ​​residuos de cultivos y grasa en Nevada. en Colorado y residuos de carne de cerdo y queso en Italia. Dice que la primera generación de centros de despolimerización estará en funcionamiento en 2005. Para entonces debería estar claro si la tecnología es tan milagrosa como afirman sus patrocinadores “.

Sin embargo, a partir de agosto de 2008, la única planta operativa que figura en el sitio web de la compañía es la inicial en Carthage, Missouri.

Tecnología mundial cambiante solicitó una OPI el 12 de agosto; 2008, con la esperanza de recaudar $ 100 millones.

El tipo inusual de IPO de la Subasta holandesa fracasó posiblemente porque CWT ha perdido casi $ 20 millones con muy pocos ingresos.

CWT, la empresa matriz de Renewable Energy Solutions, se declaró en bancarrota del Capítulo 11.No se han publicado detalles sobre los planes para la planta de Cartago.

En abril de 2013, CWT fue adquirida por una empresa canadiense, Ridgeline Energy Services, con sede en Calgary.

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