EFECTO DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA Y DE LA TEMPERATURA DE SECADO EN LA PIROLISIS A VELOCIDAD MEDIA DE ASERRÍN
L. J. Hoyos* Instituto Colombiano del Petróleo, Km 7 vía a Piedecuesta, Bucaramanga, Colombia
D. R. Figueroa. Cooperativa de Tecnólogos e Ingenieros de la Industria del Petróleo y Afines, Km 7 Vía a
Piedecuesta, Bucaramanga, Colombia
*E-mail de correspondencia: [email protected]
Resumen 1: Se llevaron a cabo estudios a nivel de planta piloto de pirolisis a velocidad media, utilizando aserrín como materia prima. En un reactor tubular con lecho de biomasa se evaluaron tamaños de partícula en el rango de 10 a 163 µm, temperaturas de secado entre 110 y 130 ° C, temperaturas de reacción entre 420 y 520 °C, tiempo de reacción de 10 minutos y flujo permanente de nitrógeno. Las variables analizadas fueron el efecto del tamaño de la partícula de biomasa y del secado en los rendimientos y la calidad de los productos. El flujo de gas se midió y se analizó por cromatografía de gases. El bioaceite se caracterizó midiendo su densidad, contenido de carbono, hidrógeno, agua, azufre y poder calorífico.
Independientemente de la temperatura de secado y del tamaño de la partícula, el rendimiento en gases aumenta y el de carbón disminuye cuando aumenta la temperatura de reacción. El rendimiento en bioaceite se situó en el rango de 50 a 60 %m. Para las partículas de 76 µm y todas las temperaturas de reacción, el rendimiento en bioaceite disminuye y el de carbón aumenta con la temperatura de secado. Para una temperatura de secado de 110 °C, el rendimiento en bioaceite aumenta mientras que el de gas disminuye ligeramente cuando el tamaño de la partícula aumenta.
Los resultados obtenidos permiten inferir un mecanismo de reacción de la pirolisis en el que la biomasa se descompone inicialmente en gas y bioaceite, pero a mayores tiempos de contacto y/o temperaturas de reacción, el bioaceite reacciona para producir carbón y gases.
Palabras clave: Biomasa, bioaceite, carbón, mecanismo de reacción, pirolisis, reactor tubular.
Abstract 1: Studies of pyrolysis were carried out at pilot plant at medium speed, using sawdust as raw material. Using a tubular reactor with a bed of biomass, particle sizes were evaluated in the range of 10 to 163 μm, drying temperatures between 110 and 130 °C, reaction temperatures between 420 and 520 °C, reaction time of 10 minutes and permanent flow of nitrogen. The variables analyzed were the effect of particle size and drying on biomass yields and product quality. The gas flow was measured and analyzed by gas chromatography. The bio-oil was characterized by measuring their density, carbon, hydrogen, water, sulfur and calorific value.
Memorias del IV Simposio de Química Aplicada – SIQUIA 2009
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Regardless of the drying temperature and particle size, yield increases in gas and decreases in coal with increasing reaction temperature. The bio-oil yield was at the range of 50 to 60% m. For particles of 75 μm at any reaction temperature, the yield of bio-oil decreases and the yield of coal increases with increasing drying temperature. For a drying temperature of 110 ° C, bio-oil yield increases as the gas decreases slightly when the particle size increases.
These results allow inferring a reaction mechanism of pyrolysis in which the biomass is broken down into gas and bio-oil initially, but with greater contact time and / or reaction temperatures, the bio-oil reacts to produce coal and gas.
Keywords: Biomass, bio-oil, coal, reaction mechanism, pyrolysis, tubular reactor.
1. INTRODUCCIÓN
El fuerte aumento que presentó recientemente el precio del petróleo y una mayor conciencia de los efectos del calentamiento global incrementaron las preocupaciones de los países importadores de hidrocarburos. Esto ha provocado el diseño de programas gubernamentales intensivos para la investigación y desarrollo de fuentes alternativas de energía. Los biocombustibles son una fuente alternativa con alto potencial debido a que pueden valorizar la tierra, disminuir la vulnerabilidad estratégica de los países que importan petróleo y mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero. Sin embargo, existe un debate intenso acerca del carácter ético del uso de productos alimenticios como materias primas para combustibles.
La pirolisis es una de las tecnologías con mayor potencial para transformar biomasa en biocombustibles dado que se puede integrar fácilmente a refinerías existentes. La composición del gas producido es similar a la de los gases de refinería, el bioaceite tiene propiedades similares a las del fuel oíl y el carbón se puede mezclar con coque del petróleo. Los principios fisicoquímicos y condiciones hidrodinámicas de esta tecnología son similares a los de procesos de refinación de petróleo y petroquímicos existentes. Aunque existen varias modalidades de esta tecnología, la que produce los mejores rendimientos en bioaceite es la pirolisis rápida (Bridgwater & Peacocke 2004). Por estas razones, el Instituto Colombiano del Petróleo tomó la decisión de efectuar estudios exploratorios de esta tecnología.
En este trabajo se reportan los resultados preliminares obtenidos al estudiar el efecto de la temperatura de reacción, el tamaño de la partícula y la temperatura de secado en los rendimientos de productos y sus propiedades al realizar experimentos de pirolisis a velocidad media con aserrín de madera.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Caracterización de la carga
Se utilizó aserrín obtenido de diferentes tipos de madera, el cual fue tamizado en cuatro tamaños diferentes. El efecto de la temperatura de secado se exploró al comparar muestras sin secar y secadas a 110 °C y 130 °C. El secado se realizó en hornos hasta obtener peso constante de la
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muestra. Las muestras fueron caracterizadas midiendo su contenido de carbono, hidrogeno, poder calorífico y humedad perdida durante el secado. Los resultados para los dos tamaños de partícula de los extremos del rango estudiado se presentan en la tabla 1.
Tabla 1. Caracterización físico-química del aserrín a dos condiciones de secado
Tamaño de muestra (µm)
Temperatura de secado (°C)
Humedad perdida
Calor de Combustión Bruto % C % H
% MJ/kg % Peso % Peso 11 110 13.07 13.109 48.33 7.24
163 110 14.92 18.948 47.93 6.68 11 Ninguna 0 17.716 45.19 6.92
163 Ninguna 0 15.576 45.37 6.82
2.2. Equipo y procedimiento
Las pruebas de reactividad del aserrín se llevaron a cabo en la planta piloto de viscorreducción del Instituto Colombiano del Petróleo, la cual fue modificada para realizar estos ensayos (Fig. 1). La muestra de aserrín era cargada en la zona isotérmica de una reactor tubular de 2.72 cm de diámetro interno. Para evitar el movimiento del lecho de aserrín, se colocó fibra y esferas de vidrio en la parte inferior del lecho y una malla metálica en su parte superior. El aserrín se calentó utilizando un horno de tipo eléctrico de cuatro zonas con secciones en forma de semiluna, controladas independientemente por un sistema de control Opto 22. En una corrida típica, el horno se calentaba abierto hasta la temperatura de reacción. Una vez alcanzada esta temperatura, se daba inicio a la corrida, conectando el reactor, cerrando el horno y colocando flujo de nitrógeno de purga (100 ml/min a 10 psi). En todos los experimentos el tiempo de reacción fue de 10 minutos. Pasados los 10 minutos de reacción, el horno se enfrió y el flujo de gas se continuó recolectando hasta que la temperatura disminuyó a 400 °C. Los productos de la reacción fueron separados en un tambor el cual se encontraba inmerso en hielo seco. El flujo de gas se midió con un gasómetro de tambor y su composición se analizó por cromatografía de gases. El bioaceite y carbón formados fueron cuantificados y almacenados para su caracterización físico-química y balance de masa. Todos los experimentos tuvieron un balance de materia con un error no superior al 4 %m.
La matriz experimental realizada para analizar el efecto del tamaño de la partícula de biomasa y del secado con la temperatura de reacción en los rendimientos y la calidad de los productos, consistió en variar la temperatura de reacción para cada uno de los tamaños, así como, las condiciones de secado.
2.3. Cara
Los prodlos siguie
Gas
Bio
Car
Memori
Universida
Figura
acterización
ductos de la entes análisis
Tabla 2Muestr
ses no condens
oaceite
rbón
ias del IV S
ad del Qui
a 1. Seccione
de los produ
pirolisis dels y métodos.
. Caracterizara sables
Simposio d
ndío - 9, 10
es empleadas
uctos de la p
l aserrín, gas.
ación físico-
CromatografíapH Agua por KarlDensidad a 15API Calor de ComAzufre horiba% C % H Calor de ComDensidad esqu% C % H Espectro FT-I
de Química
0 y 11 de se
s en la planta
pirolisis
s, bioaceite y
-química de Análisis
a de gases
l Fischer 5 °C
mbustión Brutoa
mbustión Brutouelética
IR muestra soli
a Aplicada
ptiembre–
a piloto de v
y carbón fue
los producto
%
G
ida
– SIQUIA
Armenia, C
viscorreducci
eron caracte
os de la reaccUnidad % molar
Ci% Peso ASg/mL AS
GR API ASMJ/kg ASmg/Kg AS% Peso AS% Peso ASMJ/kg ASg/cm3 % Peso AS% Peso AS
cm¯¹
2009
Colombia
ión
erizados med
ción Método
----- intas de pH STM D1744 STM D4052 STM D4053 STM D240 STM D4294 STM D5291 STM D5292 STM D240
----- STM D5291 STM D5292
-----
4
diante
3. PRESE
3.1. Efect
La figuraproductosmientras rendimien55 %m efunción dPiskorz efruto vacen funciódel bioactemperatueucaliptoimportanbiomasa las reaccitrabajo evarios aula materiatrabajo, dbatch, el obtuvieromuestran
Fig
“L
Universida
ENTACIÓN
to de la temp
a 2 presentas, para aserrque el rendinto en bioac
en este puntode la tempeet al (1998) ío de palma
ón de la tempceite y de cura. García
o cambia cotes cambiosa bajas veloiones de piros menor qu
utores han ma prima (Demdado que se rendimiento
on para los dn en este artíc
gura 2. Efect
os Biocomb
ad del Qui
N DE RESUL
peratura de
a el efecto rín de 11 µmimiento en cceite pasa poo. Varios aueratura. Por mostraron r
a de aceite y peratura de r
condensaciónet al (2008)
on la velocis en la estrocidades de colisis sobre le los mejorostrado que mirbas, 2007utilizó una
o en bioaceitdemás tamañculo.
to de la temp
bustibles: h
ndío - 9, 10
LTADOS
reacción con
de la tempm de diámetrocarbón dismior un máximoutores han m
ejemplo, Dresultados si sorgo, respreacción podn de los pro) mostraron idad de caleructura químcalentamientlas de condees encontradel máximo r
7) como de lplanta pilot
te puede conños de partíc
peratura de r
hacia el De
0 y 11 de se
n el tamaño
peratura de o y secado ainuye cuandoo para una te
mostrado tendDemirbas (2imilares parectivamentedría explicaroductos de
que el perfentamiento.
mica de los to y que a alensación. Audos para pirrendimiento las condicionto existente nsiderarse bacula del aser
reacción con
esarrollo So
ptiembre–
de la muestr
reacción soa 110 °C. Elo aumenta laemperatura ddencias simi
2007), Abdura la pirolisie. El óptimo rse por reaccsu degradacfil de pérdidEsto implicproductos
ltas velocidaunque el renrolisis rápiden bioaceite
nes de reaccy se modifiastante elevarrín y tempe
el aserrín de
ostenible”
Armenia, C
ra en los ren
bre los rendl rendimienta temperaturde reacción dilares de los
ullah & Geris de varios del rendimi
ciones secunción que se da de masa ca que se pprimarios d
ades de calendimiento ena, vale la pe depende ta
ción (Peacokcó para ser ado. Tendeneratura de se
e 11 µm, sec
Colombia
ndimientos
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iento de bioandarias de ru
presentan ade la made
pueden presde la pirolisntamiento pr
n bioaceite deena recorda
anto del origke, 1994). En
usada de mncias similarecado, pero
co a 110 °C
5
de los menta ón. El es de
tos en 06) y adera, aceite uptura a alta
era de sentar sis de riman e este
ar que gen de n este
manera res se no se
3.2. Efect
La figuralas partícaumentanpuede exzona de rbioaceiteagua en eimportanmuestra demixiónsecado dePeacoke, para tenemuestra n
Figu
3.3. Efect
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Memori
Universida
to de la temp
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n (Miau & Ye la biomasa2000). Por o
er en cuenta eno es secada
ura 3. Rendim
to del tamañ
a 4 muestra s, para 460 °
ias del IV S
ad del Qui
peratura de
los rendimieµm y 520 °
que el de bioumiendo quese condensa ante en este
así como suencias desd
aceite con aYang 2004). a antes de enotro lado, mel efecto de
a antes de rea
mientos en f
ño de partícu
el efecto del°C de temper
Simposio d
ndío - 9, 10
secado con
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u poder caloe el punto lto contenidEsto confirmntrar a la zo
muchos de losla humedad
alizar la reac
función de latemperatura
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l tamaño de ratura de rea
de Química
0 y 11 de se
la temperatu
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minuye con la humedad pde la planta se compruerífico y densde vista de
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cción.
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a Aplicada
ptiembre–
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ión, tal comrtados en la la muestra y
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a de aserrín s0 °C de temp
– SIQUIA
Armenia, C
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ura de secadla biomasa
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sobre los renperatura de se
2009
Colombia
endimientos
a de secado,o en carbón do. Este resu
se evapora e recuperacióa el contenid
uede tener adque la liter
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nen (Bridgwaeben ser reviuchos artícu
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ndimientos decado.
6
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ultado en la
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ulos la
,
de los
Figura 4
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“L
Universida
4. Efecto del
miento en biortícula. Este e surgen cuendrán una
nte. Esto brinroductos prime hacia gas de tipo flui
de lecho des de transfde partícula ouidizados. Grtícula y el d de transfedisminuye laón alternativagua limita
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gas y coqueura de reaccreacciones
es secundariropusieron u
os Biocomb
ad del Qui
l tamaño de p4
oaceite dismresultado puando las pamenor veloc
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idizado. Es bfijo y los ferencia de observados e
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erencia de ma velocidad va sería que
a la difusión diferencia e
s moléculas ones para que. Tanto estción confirmprimarias cas de transfo
un mecanism
bustibles: h
ndío - 9, 10
partícula de 476°C de tem
minuye mientuede explica
artículas de bcidad de traniciones para y bioaceite
Este resultabien conocidde lecho flcalor y mas
en reactores 2008) enconde agua de
masa del vapde las reac
e en las partde las molé
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man que el mconducentes ormación de
mo similar de
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0 y 11 de se
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tras que el dearse por las biomasa aumnsferencia dque la partí), sino que do no es sido que las dluidizado gesa. Podría inde lecho fijo
ntraron que el bioaceite. por de agua
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a la produel bioaceite he reacción pa
esarrollo So
ptiembre–
a una tempere reacción
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existe una relEstos autor
a al interiorcondensaciónserrín de maoaceite debiión sería respor de las p
acciones de dos obtenidosde reacción ucción de bhacia gas y ara la pirolisi
ostenible”
Armenia, C
ratura de sec
nta ligeramens de transfetamaño. Paror lo tanto smasa se descosibilidad de
directamente modo de crencias signse el caso qrios a los qulación directres sugirieror de las partn que produayor tamañoido a que estponsable de artículas dedescomposics al estudiarde la pirolis
bioaceite y gcarbón (Figis rápida de
Colombia
ado de 110 °
nte con el tarencia de ca
rtículas de mse calentaráncomponga noe que el bioate extrapolacontacto entrnificativas eque los efectue se presentta entre el taon que la mtículas de m
ucen carbón.o, la presenctas son de mun mayor ti
e biomasa yción del bioar el efecto sis de biomagas, seguida. 5). Browncelulosa.
7
°C y
amaño alor y mayor n más o solo aceite able a re los
en las tos de tan en maño
menor mayor . Una cia de mayor empo
y esto aceite de la
asa se as de
n et al
3.4. Efect
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En la figprincipaleprincipal aumenta por numetemperatuconsidera
IndependalrededorcaloríficoCzernik (humedadla temperespectiv
Memori
Universida
to de la temp
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s de hidrógen
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erosos autoreura y que a ablemente.
dientemente r de 45 %mo, de 13 MJ(1999), para
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ias del IV S
ad del Qui
Figura
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de la tempem, la densidJ/kg. Estos
a determinar calorífico dereacción y
Simposio d
ndío - 9, 10
a 5. Mecanis
reacción sob
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de Química
0 y 11 de se
smo de reacc
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mposición deno y trazas d
mperatura ds. Aunque ee mientras qreacción. Re
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a Aplicada
ptiembre–
ción propues
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tres principno y el meta
el gas; tambide olefinas.
de reacción sel dióxido dque la de moesultados simnta reaccion reacciones
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o de carbonodio fueron
– SIQUIA
Armenia, C
sto
los producto
pales compuano y estos gién se obser
sobre la conde carbono eonóxido de cmilares han es de descarde descarbo
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2009
Colombia
os
uestos halladgases represrvaron cantid
ncentración des el compocarbono y msido encont
rboxilación aonilación aum
bioaceite se g/cm3 y su pda por Oasme su contenidn ligeramentJ/kg y 79
8
dos en sentan dades
de los onente
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situó poder
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%m,
Figura 6.
3.5. Efect
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Figur
“L
Universida
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to de la temp
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dos en materiasa se evapos.
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os Biocomb
ad del Qui
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de la tempe
bustibles: h
ndío - 9, 10
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miento de proona de reacc
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0 y 11 de se
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ptiembre–
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na temperatu
ostenible”
Armenia, C
ura de reacc
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ura de reacci
Colombia
ión, aserrín
disminuyó cfico del bioaos junto colibre presenrecuperació
ión de 420 °C
9
de 11
con el aceite
on los nte en ón de
C
3.6. Efect
La figurabioaceitemayor cogrande. Dbioaceite transferenComo comáximo p
Figura 8
4. CONC
En la pirendimientemperatucomportabioaceite
Aunque reacción,reaccioneen el carbde deshid
Memori
Universida
to del tamañ
a 8 presenta, para aserrí
ontenido de hDe nuevo, e disminuye ncia de calonsecuencia dpara tamaño
8. Propiedad
CLUSIONES
rolisis de anto en produra de reaccamiento se p a altas temp
las propied el análisis d
es de descarbbón y su madrogenación
ias del IV S
ad del Qui
ño de partícu
a el efecto dín secado a 1humedad y eeste compor
con el aumor y masa qude este comp
os de partícul
des del bioac
S
aserrín, la teductos. El reción mientrapuede expliperaturas.
ades del bidel gas produboxilación yayor poder ca alta tempe
Simposio d
ndío - 9, 10
ula de aserrí
del tamaño d110 °C y temes más densrtamiento esmento en elue surgen cuportamientola de aproxim
eite efecto d
emperatura endimiento as que el recar por reac
oaceite no ucido indicay descarbonicalorífico inderatura.
de Química
0 y 11 de se
ín sobre las p
de la partícumperaturas do cuando el
s coherente tamaño de
uando el tam, el poder camadamente
del tamaño d°C.
de reacciónen gas aum
endimiento ecciones secu
cambian siga que las reacilación, miendican que la
a Aplicada
ptiembre–
propiedades
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e la muestra
n tiene un ementa y el den bioaceiteundarias de
gnificativamcciones primntras que el a biomasa no
– SIQUIA
Armenia, C
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a, temperatur
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2009
Colombia
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“Los Biocombustibles: hacia el Desarrollo Sostenible”
Universidad del Quindío - 9, 10 y 11 de septiembre– Armenia, Colombia 11
La humedad libre del aserrín se evapora en la sección de reacción y condensa en la sección de recuperación de productos, disminuyendo el poder calorífico del aceite e incrementando la propensión del aceite a sufrir separación de las fases orgánica y acuosa.
Finalmente, la difusión diferencial juega un papel importante en los rendimientos de los productos de la pirolisis. La menor velocidad de difusión de las moléculas de bioaceite brinda las condiciones para que éste se descomponga en carbón.
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