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EFECTO DEL TAMAO DE PARTCULA Y DE LA TEMPERATURA DE SECADO EN LA PIROLISIS A VELOCIDAD MEDIA DE ASERRN
L. J. Hoyos* Instituto Colombiano del Petrleo, Km 7 va a Piedecuesta, Bucaramanga, Colombia
D. R. Figueroa. Cooperativa de Tecnlogos e Ingenieros de la Industria del Petrleo y Afines, Km 7 Va 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 aserrn como materia prima. En un reactor tubular con lecho de biomasa se evaluaron tamaos de partcula en el rango de 10 a 163 m, temperaturas de secado entre 110 y 130 C, temperaturas de reaccin entre 420 y 520 C, tiempo de reaccin de 10 minutos y flujo permanente de nitrgeno. Las variables analizadas fueron el efecto del tamao de la partcula de biomasa y del secado en los rendimientos y la calidad de los productos. El flujo de gas se midi y se analiz por cromatografa de gases. El bioaceite se caracteriz midiendo su densidad, contenido de carbono, hidrgeno, agua, azufre y poder calorfico.
Independientemente de la temperatura de secado y del tamao de la partcula, el rendimiento en gases aumenta y el de carbn disminuye cuando aumenta la temperatura de reaccin. El rendimiento en bioaceite se situ en el rango de 50 a 60 %m. Para las partculas de 76 m y todas las temperaturas de reaccin, el rendimiento en bioaceite disminuye y el de carbn 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 tamao de la partcula aumenta.
Los resultados obtenidos permiten inferir un mecanismo de reaccin 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 reaccin, el bioaceite reacciona para producir carbn y gases.
Palabras clave: Biomasa, bioaceite, carbn, mecanismo de reaccin, 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 m, 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.
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Memorias del IV Simposio de Qumica Aplicada SIQUIA 2009
Universidad del Quindo - 9, 10 y 11 de septiembre Armenia, Colombia 2
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 m 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. INTRODUCCIN
El fuerte aumento que present recientemente el precio del petrleo y una mayor conciencia de los efectos del calentamiento global incrementaron las preocupaciones de los pases importadores de hidrocarburos. Esto ha provocado el diseo de programas gubernamentales intensivos para la investigacin y desarrollo de fuentes alternativas de energa. Los biocombustibles son una fuente alternativa con alto potencial debido a que pueden valorizar la tierra, disminuir la vulnerabilidad estratgica de los pases que importan petrleo y mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero. Sin embargo, existe un debate intenso acerca del carcter tico del uso de productos alimenticios como materias primas para combustibles.
La pirolisis es una de las tecnologas con mayor potencial para transformar biomasa en biocombustibles dado que se puede integrar fcilmente a refineras existentes. La composicin del gas producido es similar a la de los gases de refinera, el bioaceite tiene propiedades similares a las del fuel ol y el carbn se puede mezclar con coque del petrleo. Los principios fisicoqumicos y condiciones hidrodinmicas de esta tecnologa son similares a los de procesos de refinacin de petrleo y petroqumicos existentes. Aunque existen varias modalidades de esta tecnologa, la que produce los mejores rendimientos en bioaceite es la pirolisis rpida (Bridgwater & Peacocke 2004). Por estas razones, el Instituto Colombiano del Petrleo tom la decisin de efectuar estudios exploratorios de esta tecnologa.
En este trabajo se reportan los resultados preliminares obtenidos al estudiar el efecto de la temperatura de reaccin, el tamao de la partcula y la temperatura de secado en los rendimientos de productos y sus propiedades al realizar experimentos de pirolisis a velocidad media con aserrn de madera.
2. MATERIALES Y MTODOS
2.1. Caracterizacin de la carga
Se utiliz aserrn obtenido de diferentes tipos de madera, el cual fue tamizado en cuatro tamaos diferentes. El efecto de la temperatura de secado se explor al comparar muestras sin secar y secadas a 110 C y 130 C. El secado se realiz en hornos hasta obtener peso constante de la
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Los Biocombustibles: hacia el Desarrollo Sostenible
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muestra. Las muestras fueron caracterizadas midiendo su contenido de carbono, hidrogeno, poder calorfico y humedad perdida durante el secado. Los resultados para los dos tamaos de partcula de los extremos del rango estudiado se presentan en la tabla 1.
Tabla 1. Caracterizacin fsico-qumica del aserrn a dos condiciones de secado
Tamao de muestra (m)
Temperatura de secado (C)
Humedad perdida
Calor de Combustin 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 aserrn se llevaron a cabo en la planta piloto de viscorreduccin del Instituto Colombiano del Petrleo, la cual fue modificada para realizar estos ensayos (Fig. 1). La muestra de aserrn era cargada en la zona isotrmica de una reactor tubular de 2.72 cm de dimetro interno. Para evitar el movimiento del lecho de aserrn, se coloc fibra y esferas de vidrio en la parte inferior del lecho y una malla metlica en su parte superior. El aserrn se calent utilizando un horno de tipo elctrico de cuatro zonas con secciones en forma de semiluna, controladas independientemente por un sistema de control Opto 22. En una corrida tpica, el horno se calentaba abierto hasta la temperatura de reaccin. Una vez alcanzada esta temperatura, se daba inicio a la corrida, conectando el reactor, cerrando el horno y colocando flujo de nitrgeno de purga (100 ml/min a 10 psi). En todos los experimentos el tiempo de reaccin fue de 10 minutos. Pasados los 10 minutos de reaccin, el horno se enfri y el flujo de gas se continu recolectando hasta que la temperatura disminuy a 400 C. Los productos de la reaccin fueron separados en un tambor el cual se encontraba inmerso en hielo seco. El flujo de gas se midi con un gasmetro de tambor y su composicin se analiz por cromatografa de gases. El bioaceite y carbn formados fueron cuantificados y almacenados para su caracterizacin fsico-qumica 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 tamao de la partcula de biomasa y del secado con la temperatura de reaccin en los rendimientos y la calidad de los productos, consisti en variar la temperatura de reaccin para cada uno de los tamaos, as como, las condiciones de secado.
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2.3. Cara
Los prodlos siguie
Gas
Bio
Car
Memori
Universida
Figura
acterizacin
ductos de la entes anlisis
Tabla 2Muestr
ses no condens
oaceite
rbn
ias del IV S
ad del Qui
a 1. Seccione
de los produ
pirolisis dels y mtodos.
. Caracterizara sables
Simposio d
ndo - 9, 10
es empleadas
uctos de la p
l aserrn, gas.
acin fsico-
CromatografapH Agua por KarlDensidad a 15API Calor de ComAzufre horiba% C % H Calor de ComDensidad esqu% C % H Espectro FT-I
de Qumica
0 y 11 de se
s en la planta
pirolisis
s, bioaceite y
-qumica de Anlisis
a de gases
l Fischer 5 C
mbustin Brutoa
mbustin Brutoueltica
IR muestra soli
a Aplicada
ptiembre
a piloto de v
y carbn 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
2009
Colombia
in
erizados med
cin Mtodo
----- 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 efuncin dPiskorz efruto vacen funcidel bioactemperatueucaliptoimportanbiomasa las reaccitrabajo evarios aula materiatrabajo, dbatch, el obtuvieromuestran
Fig
L
Universida
ENTACIN
to de la temp
a 2 presentas, para aserrque el rendinto en bioac
en este puntode la tempeet al (1998) o de palma
n de la tempceite y de cura. Garca
o cambia cotes cambiosa bajas veloiones de piros menor qu
utores han ma prima (Demdado que se rendimiento
on para los dn en este artc
gura 2. Efect
os Biocomb
ad del Qui
N DE RESUL
peratura de
a el efecto rn de 11 mimiento en cceite pasa poo. Varios aueratura. Por mostraron r
a de aceite y peratura de r
condensacinet al (2008)
on la velocis en la estrocidades de colisis sobre le los mejorostrado que mirbas, 2007utiliz una
o en bioaceitdems tamaculo.
to de la temp
bustibles: h
ndo - 9, 10
LTADOS
reaccin con
de la tempm de dimetrocarbn dismior un mximoutores han m
ejemplo, Dresultados si sorgo, respreaccin podn de los pro) mostraron idad de caleructura qumcalentamientlas de condees encontradel mximo r
7) como de lplanta pilot
te puede conos de partc
peratura de r
hacia el De
0 y 11 de se
n el tamao
peratura de o y secado ainuye cuandoo para una te
mostrado tendDemirbas (2imilares parectivamentedra explicaroductos de
que el perfentamiento.
mica de los to y que a alensacin. Audos para pirrendimiento las condicionto existente nsiderarse bacula del aser
reaccin con
esarrollo So
ptiembre
de la muestr
reaccin soa 110 C. Elo aumenta laemperatura ddencias simi
2007), Abdura la pirolisie. El ptimo rse por reaccsu degradacfil de prdidEsto implicproductos
ltas velocidaunque el renrolisis rpiden bioaceite
nes de reaccy se modifiastante elevarrn y tempe
el aserrn de
ostenible
Armenia, C
ra en los ren
bre los rendl rendimienta temperaturde reaccin dilares de los
ullah & Geris de varios del rendimi
ciones secuncin que se da de masa ca que se pprimarios d
ades de calendimiento ena, vale la pe depende ta
cin (Peacokc para ser ado. Tendeneratura de se
e 11 m, sec
Colombia
ndimientos
dimientos do de gas aumra de reaccide 475 C y s rendimientrhauser (200tipos de ma
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 n. 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 partcaumentanpuede exzona de rbioaceiteagua en eimportanmuestra demixinsecado dePeacoke, para tenemuestra n
Figu
3.3. Efect
La figuraproductos
Memori
Universida
to de la temp
a 3 presenta culas de 76 n mientras qxplicarse asureaccin y s. Ms adelael bioaceite, tes consecuque el bioa
n (Miau & Ye la biomasa2000). Por o
er en cuenta eno es secada
ura 3. Rendim
to del tama
a 4 muestra s, para 460
ias del IV S
ad del Qui
peratura de
los rendimiem y 520
que el de bioumiendo quese condensa ante en este
as como suencias desd
aceite con aYang 2004). a antes de enotro lado, mel efecto de
a antes de rea
mientos en f
o de partcu
el efecto delC de temper
Simposio d
ndo - 9, 10
secado con
entos de pro C de tempeoaceite disme parte de laa la salida dmanuscrito
u poder caloe el punto lto contenidEsto confirmntrar a la zo
muchos de losla humedad
alizar la reac
funcin de latemperatura
ula de la bio
l tamao de ratura de rea
de Qumica
0 y 11 de se
la temperatu
oductos en fueratura de re
minuye con la humedad pde la planta se compruerfico y densde vista de
do de humema entonces ona de reaccis datos reporpresente en
ccin.
a temperatura de reaccin
masa
la partculaaccin y 110
a Aplicada
ptiembre
ura de reacc
uncin de laeaccin. El la temperatupresente en piloto, en e
eba que el sesidad. Este rdiseo de p
dad presentque es nec
in, tal comrtados en la la muestra y
a de secado n 520 C
a de aserrn s0 C de temp
SIQUIA
Armenia, C
cin en los re
a temperaturrendimiento
ura de secadla biomasa
el tambor deecado afectaresultado puproceso, ya ta una mayoesario adicio
mo lo proponliteratura deya que en mu
con el aserr
sobre los renperatura de se
2009
Colombia
endimientos
a de secado,o en carbn do. Este resu
se evapora e recuperacia el contenid
uede tener adque la liter
or tendenciaonar una eta
nen (Bridgwaeben ser reviuchos artcu
n de 76 m
ndimientos decado.
6
, para y gas
ultado en la
n de do de dems ratura a a la apa de ater y sados
ulos la
,
de los
-
Figura 4
El rendimde la parmasa quetamao telentamenen sus prreaccionereactores reactores velocidadtamao dlechos flude la parvelocidadtamao dexplicacivapor de peso molde resideofrecera en ms gtemperatubasa en reaccione(2001) pr
L
Universida
4. Efecto del
miento en biortcula. Este e surgen cuendrn una
nte. Esto brinroductos prime hacia gas de tipo flui
de lecho des de transfde partcula ouidizados. Grtcula y el d de transfedisminuye lan alternativagua limita
lecular. Esta encia de laslas condicio
gas y coqueura de reaccreacciones
es secundariropusieron u
os Biocomb
ad del Qui
l tamao de p4
oaceite dismresultado puando las pamenor veloc
nda las condimarios (gas y carbn. E
idizado. Es bfijo y los ferencia de observados e
Garca et al (2contenido
erencia de ma velocidad va sera que
a la difusin diferencia e
s molculas ones para que. Tanto estcin confirmprimarias cas de transfo
un mecanism
bustibles: h
ndo - 9, 10
partcula de 476C de tem
minuye mientuede explica
artculas 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 mol
en la velocidde bioacei
ue se favoretos resultad
man que el mconducentes ormacin de
mo similar de
hacia el De
0 y 11 de se
aserrn paramperatura de
tras que el dearse por las biomasa aumnsferencia dque la part), sino que do no es sido que las dluidizado gesa. Podra inde lecho fijo
ntraron que el bioaceite. por de agua
cciones de ctculas de asculas de biodad de difusiite al interiozcan las rea
dos como lomecanismo d
a la produel bioaceite he reaccin pa
esarrollo So
ptiembre
a una tempere reaccin
e gas aumenlimitacione
mentan de tde calor y pocula de biomofrece la poin embargo
diferencias deeneran difernclusive darso sea contrar
existe una relEstos autor
a al interiorcondensacinserrn de maoaceite debiin sera respor de las p
acciones de dos obtenidosde reaccin uccin de bhacia gas y ara la pirolisi
ostenible
Armenia, C
ratura de sec
nta ligeramens de transfetamao. Paror lo tanto smasa se descosibilidad de
directamente modo de crencias signse el caso qrios a los qulacin directres sugirieror de las partn que produayor tamaoido a que estponsable de artculas dedescomposics al estudiarde la pirolis
bioaceite y gcarbn (Figis rpida de
Colombia
ado de 110
nte con el tarencia de ca
rtculas de mse calentarncomponga noe que el bioate extrapolacontacto entrnificativas eque los efectue se presentta entre el taon que la mtculas de m
ucen carbn.o, la presenctas son de mun mayor ti
e biomasa ycin del bioar el efecto sis de biomagas, seguida. 5). Browncelulosa.
7
C y
amao alor y mayor n ms o solo aceite able a re los
en las tos de tan en mao
menor mayor . Una cia de mayor empo
y esto aceite de la
asa se as de
n et al
-
3.4. Efect
Independel gas sonen todos pequeas
En la figprincipaleprincipal aumenta por numetemperatuconsidera
IndependalrededorcalorficoCzernik (humedadla temperespectiv
Memori
Universida
to de la temp
dientemente n el dixidolos casos m
s de hidrgen
ura 6 se prees componedel gas su cligeramente
erosos autoreura y que a ablemente.
dientemente r de 45 %mo, de 13 MJ(1999), para
d. El poder ceratura de amente.
ias del IV S
ad del Qui
Figura
peratura de
de las condio de carbonoms del 92 %no, etano, pr
esenta el efeentes del gasconcentracie con la tempes y muestraalta tempera
de la tempem, la densidJ/kg. Estos
a determinar calorfico dereaccin y
Simposio d
ndo - 9, 10
a 5. Mecanis
reaccin sob
iciones de ro, el monxid% de la comropano, butan
ecto de la tems de pirolisin disminuyeperatura de an que la bioatura la velo
ratura de readad del bioavalores sonel poder ca
el carbn y sy sus valor
de Qumica
0 y 11 de se
smo de reacc
bre las prop
eaccin, losdo de carbon
mposicin deno y trazas d
mperatura ds. Aunque ee mientras qreaccin. Re
omasa presencidad de las
accin, el coaceite fue dn coherentesalorfico del su contenidores promed
a Aplicada
ptiembre
cin propues
piedades de l
tres principno y el meta
el gas; tambide olefinas.
de reaccin sel dixido dque la de moesultados simnta reaccion reacciones
ontenido de de alrededors con la curbioaceite en
o de carbonodio fueron
SIQUIA
Armenia, C
sto
los producto
pales compuano y estos gin se obser
sobre la conde carbono eonxido de cmilares han es de descarde descarbo
agua en el br de 1.08 grva reportadn funcin de aumentaronde 29 MJ
2009
Colombia
os
uestos halladgases represrvaron cantid
ncentracin des el compocarbono y msido encont
rboxilacin aonilacin aum
bioaceite se g/cm3 y su pda por Oasme su contenidn ligeramentJ/kg y 79
8
dos en sentan dades
de los onente
metano trados a baja menta
situ poder
maa y do de te con
%m,
-
Figura 6.
3.5. Efect
Para todasecado deaumentanobservadla biomaproductos
Figur
L
Universida
Rendimient
to de la temp
as las tempee la muestran cuando el
dos en materiasa se evapos.
ra 7. Efecto
os Biocomb
ad del Qui
to de CH4, C
peratura de
eraturas de ra (figura 7). l aserrn es ia de rendimora en la zo
de la tempe
bustibles: h
ndo - 9, 10
CO y CO2 enm s
secado sobr
reaccin, el De igual fosecado a m
miento de proona de reacc
eratura de sec
hacia el De
0 y 11 de se
n funcin de seco a 110 C
re las propie
contenido dorma, la denmayor tempoductos concin y cond
cado para un
esarrollo So
ptiembre
la temperatuC
edades de los
de agua en ensidad y el pperatura. Estnfirman que densa en la
na temperatu
ostenible
Armenia, C
ura de reacc
s productos
el bioaceite dpoder calorftos resultadola humedad seccin de
ura de reacci
Colombia
in, aserrn
disminuy cfico del bioaos junto colibre presenrecuperaci
in de 420 C
9
de 11
con el aceite
on los nte en n de
C
-
3.6. Efect
La figurabioaceitemayor cogrande. Dbioaceite transferenComo comximo p
Figura 8
4. CONC
En la pirendimientemperatucomportabioaceite
Aunque reaccin,reaccioneen el carbde deshid
Memori
Universida
to del tama
a 8 presenta, para aserr
ontenido de hDe nuevo, e disminuye ncia de calonsecuencia dpara tamao
8. Propiedad
CLUSIONES
rolisis de anto en produra de reaccamiento se p a altas temp
las propied el anlisis d
es de descarbbn y su madrogenacin
ias del IV S
ad del Qui
o de partcu
a el efecto dn secado a 1humedad y eeste compor
con el aumor y masa qude este comp
os de partcul
des del bioac
S
aserrn, la teductos. El recin mientrapuede expliperaturas.
ades del bidel gas produboxilacin yayor poder ca alta tempe
Simposio d
ndo - 9, 10
ula de aserr
del tamao d110 C y temes ms densrtamiento esmento en elue surgen cuportamientola de aproxim
eite efecto d
emperatura endimiento as que el recar por reac
oaceite no ucido indicay descarbonicalorfico inderatura.
de Qumica
0 y 11 de se
n sobre las p
de la partcumperaturas do cuando el
s coherente tamao de
uando el tam, el poder camadamente
del tamao dC.
de reaccinen gas aum
endimiento ecciones secu
cambian siga que las reacilacin, miendican que la
a Aplicada
ptiembre
propiedades
ula de aserrde reaccin tamao de lcon el hechla partcula
mao de la palorfico del 80 m.
e la muestra
n tiene un ementa y el den bioaceiteundarias de
gnificativamcciones primntras que el a biomasa no
SIQUIA
Armenia, C
s de los prod
rn sobre lasde 450 C. Ela partcula
ho de que ea y apunta apartcula de bioaceite pa
a, temperatur
efecto fundade carbn de pasa por u
ruptura y c
mente con lamarias de la b
mayor conto convertida
2009
Colombia
ductos
s propiedadeEl bioaceite de aserrn es
el rendimiena limitacionaserrn aum
arece present
ra de secado
amental sobdisminuye cun mximo.condensaci
a temperaturbiomasa incenido de car
a sufre reacc
10
es del tiene
s ms nto en es de
menta. tar un
110
bre el on la Este
n del
ra de luyen rbono ciones
-
Los Biocombustibles: hacia el Desarrollo Sostenible
Universidad del Quindo - 9, 10 y 11 de septiembre Armenia, Colombia 11
La humedad libre del aserrn se evapora en la seccin de reaccin y condensa en la seccin de recuperacin de productos, disminuyendo el poder calorfico del aceite e incrementando la propensin del aceite a sufrir separacin de las fases orgnica y acuosa.
Finalmente, la difusin diferencial juega un papel importante en los rendimientos de los productos de la pirolisis. La menor velocidad de difusin de las molculas de bioaceite brinda las condiciones para que ste se descomponga en carbn.
5. REFERENCIAS
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