Valorización de residuos orgánicos como nuevos combustibles sólidos de biomasa

Abstract

Esta tesis se ha centrado en la valorización de dos residuos industriales, que en la actualidad no tienen vías de valorización efectivas, como combustibles sólidos de biomasa para la generación de energía limpia. Con el objetivo de valorizar estos residuos, se ha desarrollado una metodología estructurada en seis fases que permite estudiar el residuo y sus diferentes vías de valorización, además de detectar los posibles residuos que se generen tras el propio proceso de valorización. En primer lugar, se ha valorizado el residuo de marro de café (SCG), mediante la fabricación de briquetas mediante condiciones de baja energía y baja temperatura, formadas con SCG y como ligantes, goma xantana y goma guar. Las briquetas se fabricaron a temperatura ambiente, a 10%, 15%, 20%, 25% y 30% de humedad, con 8, 10 y 12 MPa de presión de compactación y con 5 y 10% de dosis de cada ligante. Se realizaron diversos ensayos para caracterizar las briquetas, en primer lugar, para determinar la capacidad de fabricar briquetas funcionales, se realizaron ensayos de densidad seca, durabilidad y absorción de agua. Por último, se realizaron ensayos químicos para determinar su potencial como combustibles sólidos: análisis elemental, análisis inmediato y ensayo de combustión. La combinación de 10% de xantana, 15% de humedad y a 12 MPa, alcanzó la mayor densidad seca, 0,819 g/cm3 . La combinación de 5% de xantana, 30% de humedad, compactada a 12 MPa fue la más duradera con una pérdida de masa del 3,9%. No se establecieron relaciones entre la absorción de agua y el tipo de ligante, la dosis de ligante, la humedad de fabricación o la presión de compactación. El valor más bajo de absorción de agua, 0,25%, correspondió a la combinación con 5% de xantana, 30% de humedad y compactada a 10 MPa. El poder calorífico inferior alcanzado por el SCG fue de 25,399 MJ/kg. El uso de ligantes disminuyó el poder calorífico, redujo los volátiles, aumentó el contenido de carbono fijado y disminuyó el contenido de nitrógeno. La goma guar disminuyó el contenido de nitrógeno del SCG en un 15,92% para la dosis del 5% y en un 16,92% para las combinaciones con 10%, respectivamente. La reducción de nitrógeno con la goma xantana alcanzó el 13,43% para el 5% y un 14,43% para el 10% de dosificación. La producción de cenizas de SCG fue del 0,66%. Este valor aumentó a 0,81% y 0,97% con el 5% y el 10% de goma xantana, mientras que la goma guar lo redujo al 0,57% y al 0,52%, con el 5% y el 10% de dosificación. El segundo residuo estudiado es el polvo de aislante de celulosa (CFP). Este residuo carece de método de valorización efectivo debido a su contenido en sales de boro. En este caso, se valorizó mediante la fabricación de pellets con lignosulfonato y residuo de la producción de azúcar. Se realizaron diversos ensayos para caracterizar los pellets, en primer lugar, para determinar la capacidad de fabricar pellets funcionales, se realizaron ensayos de densidad seca, durabilidad y absorción de agua. Estos ensayos permiten estimar su comportamiento ante el manejo, transporte y alimentación de las calderas. Además, se realizaron ensayos químicos para determinar su potencial como combustibles sólidos: análisis elemental, análisis inmediato y ensayo de combustión. Por último, se caracterizaron las cenizas obtenidas tras la combustión de los diferentes pellets fabricados. El CFP mostró una buena capacidad de peletización y durabilidad en el rango de 15-30% de contenido de agua. La densidad del pellet disminuyó al aumentar el contenido de agua. Los ligantes aumentaron la longitud del pellet antes y después de la prueba de durabilidad y aumentaron la absorción de agua del pellet, lo que demuestra una posible disminución de la durabilidad frente a los factores ambientales. Los ligantes también disminuyeron el valor calorífico inferior. El análisis elemental mostró un ligero aumento de nitrógeno en las combinaciones con ligantes que podría aumentar las emisiones contaminantes de NOx en la combustión. Todas las combinaciones mostraron unas características de combustión adecuadas, pero los ligantes aumentaron la producción de cenizas. Los ligantes disminuyeron el contenido de volátiles y aumentaron el carbono fijado, lo que podría facilitar una combustión más estable. Las curvas DTA mostraron una disminución de la tasa de pérdida de masa en la fase volátil en el caso de las combinaciones con ligantes, lo que también podría considerarse como un indicador de una combustión más estable. Las composiciones químicas de las cenizas al ser analizadas por XPS mostraron contenidos de boro que oscilaban entre el 10,03% y el 16,42%, demostrando la posibilidad de recuperarlos de las cenizas de combustión.

This thesis focuses on the valorization of two industrial wastes, which currently have no effective valorization ways, as solid biomass fuels for the generation of clean energy. In order to valorize these wastes, a methodology structured in six phases has been developed to study the waste and its different valorization routes, as well as to detect the possible wastes generated after the valorization process. Firstly, the spent coffee grounds (SCG) has been valorized by manufacturing briquettes under low-pressure and low-temperature conditions, formed with SCG and xanthan gum and guar gum as binders. The briquettes were manufactured at room temperature, at 10%, 15%, 20%, 25% and 30% humidity, with 8, 10 and 12 MPa of compaction pressure and with 5 and 10% doses of each binder. Several tests were carried out to characterize the briquettes, firstly, to determine the capacity to manufacture functional briquettes, dry density, durability and water absorption tests were carried out. Finally, chemical tests were carried out to determine their potential as solid fuels: ultimate and proximate analysis and combustion test. Combination of 10% of xanthan, 15% of moisture, at 12 MPa, reached the highest dry density, 0.819 g/cm3 . The combination of 5% of xanthan, 30% of moisture, compacted at 12 MPa was the most durable with a loss of mass of 3.9%. No relationships were established among water absorption and binder type, binder dosage, manu- facturing moisture or compaction pressure. The lowest water absorption value, 0.25%, corresponded to the combination with 5% of xanthan, 30% of moisture, compacted at 10 MPa. The lowest heating value achieved by SCG was 25,399 J/g. Guar 5% and 10% combinations achieved 24,398 J/g and 24,321 J/g respectively. Xanthan gum 5% and 10% dosages attained 24,450 and 23,503 J/g. Binder decreased volatiles, increased fixed carbon content and decreased nitrogen content. Guar gum decreased SCG nitrogen content by 15.92% for the 5% and by 16.92% for the 10% dosage combinations, respectively. Xanthan nitrogen reduction attained 13.43% for the 5% and 14.43% for the 10% of dosage. The raw SCG ash production was 0.66%. This value increased to 0.81% and 0.97% with 5% and 10% of xanthan gum, meanwhile guar decreased it to 0.57% and 0.52%, at 5% and 10% of dosage. The second waste studied is cellulose insulation powder (CFP). This waste lacks any method f valorization because of its boron salt content. In this case, it was recovered by manufacturing pellets with lignosulfonate and sugar production waste. Several tests were carried out to characterize the pellets. Firstly, to determine the ability to manufacture functional pellets, dry density, durability and water absorption tests were carried out. In addition, chemical tests were carried out to determine their potential as solid fuels: proximate and ultimate analysis and combustion test. Finally, the ashes obtained after the combustion of the different pellets manufactured were characterized. Raw CFP showed good ability in its pelletization and durability in the range of 15–30% of moisture content. The pellet’s density decreased as water content increased. Binders increased the pellet’s length before and after the durability test. Binders also increased the CFP pellet’s water absorption, demonstrating a potential decrease in durability against environmental factors. Binders also decreased the lower heating value. Ultimate analysis showed a slight Nitrogen increase in both binder combinations that could potentially raise the pollutant NOx combustion emissions. All the combinations showed adequate combustion characteristics, but binders increased ash production. Additives decreased the CFP volatile matter content and increased the fixed carbon, which could facilitate a more stable combustion. DTA curves showed a mass loss rate decrease in the volatile stage for the binder combinations, which also could be considered as an indicator of a more stable combustion. The ashes’ chemical compositions when analyzed by XPS showed boron contents oscillating between 10.03% and 16.42%, demonstrating the possibility of recovering them from the combustion ashes.