Potencial Pirolisis

7/28/2019 Potencial Pirolisis

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Potencial del proceso de pirlisis como

alternava para la valorizacin de los residuos

de cosecha en el sector azucarero colombiano

Edgar F. Castllo M.*

Caracterscas generales de los residuos de cosecha de la caa

de azcar.

En Colombia, como en los dems pases azucareros, se viene observando con mucho inters el

uso del residuo agrcola de la cosecha de la caa de azcar (RAC) como biomasa para aprovecha-

miento energtico debido a su poder calorfico (PC hoja = 4021,6 kcal/kg aproximadamente). Una

de las opciones tecnolgicas disponibles para este propsito, se denomina Pirlisis, que consiste

en un calentamiento severo en ausencia de aire. La etapa preliminar antes de comenzar con

el proceso de Pirlisis, comprende la limpieza de los RAC, operacin que se puede realizar por

separacin neumtica en seco y contina con el proceso de picado. De este modo los RAC deben

reducir la humedad por debajo del 10% y disminuir el tamao de partcula a niveles admisibles

por el pirolizador.

Con respecto a las caracterscas de los RAC (cogollo, hojas verdes y hojas secas), Ripoli

(1991) determin el poder calrico de los diferentes componentes del residuo de caa natural

(Cuadro 1). Eiland y Clayton (1984) encontraron los valores que aparecen en el Cuadro 2, cuando

realizaron anlisis prximo y lmo de los residuos de cosecha y bagazo de caa de azcar. En

el Cuadro 3 se observa el potencial calrico de los RAC, de acuerdo con su origen (Carvajal 2006).

Cuadro 1. Anlisis elemental y poder calrico de los residuos de caa.

Parmetro Cogollo Hojas Verdes Hojas Secas

Carbono (%) 42.11 43.41 41.76

Hidrgeno (%) 6.25 6.38 6.26

Humedad (%) 76.79 66.21 8.81

P.C. Superior (Kcal/Kg) 4318.7 4400.6 4439.0

P.C. Inferior (Kcal/Kg) 3981.4 4095.6 4001.4

P.C. = Poder calorfico

* Director Programa de Fbrica, Cenicaa,

Documento recibido en diciembre de 2008


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Cuadro 2. Resultados de anlisis Prximo y lmo de los residuos de cosecha caa deazcar.

Anlisis Prximo

Residuo BagazoParmetro Fresco (%) Seco (%) Fresco (%) Seco (%)

Humedad 65.8 0 59.2 0

Volalidad 25.2 73.4 35.6 87.3

Ceniza 2.6 7.5 0.3 0.8

Fijacin Carbono 6.4 19.1 4.9 11.9

Total 100 100 100 100

KJ/Kg 6521 19069 7925 19423

Anlisis lmo

Parmetro Residuo seco (%) Bagazo seco (%)

Carbono 47.60 49.90

Hidrgeno 5.60 5.80

Oxigeno y Nitrgeno 38.55 43.33

Azufre 0.70 0.17

Ceniza 7.55 0.80

Total 100 100

Cuadro 3. Composicin y valores del poder calorco de la hoja verde, hoja secay cogollo.

MaterialHumedadInicial (%)

HumedadResidual

MateriaVoll

Ceniza(%)

CarbnFijo (%)

P. Calorif.Btu/Lb

Azufre(%)

Cogollo 78.61 6.04 71.21 7.13 15.62 7704.90 0.20

HojaVerde

65.70 6.22 66.88 9.75 17.11 7285.46 0.26

Hoja Seca 11.97 5.94 68.57 1.59 13.90 7233.50 0.22

El proceso de pirlisis

La pirlisis consiste en la descompo-

sicin fsico-qumica de la materia

orgnica bajo la accin del calor y en

ausencia de un medio oxidante; es

un proceso trmico de conversin

en el que se utiliza un material conalto contenido de carbono para pro-

ducir compuestos ms densos y con

mayor poder calorfico, que pueden

ser empleados como combustibles

directamente o luego de un trata-

miento posterior. Los productos de

la pirlisis son gases, lquidos y un

residuo carbonoso, cuyas cantida-

des relativas dependen de las pro-

piedades de la biomasa a tratar y

de los parmetros de operacin del

equipo. En los ltimos aos la pirli-

sis se viene utilizando para la obten-

cin de combustibles lquidos y pro-

ductos qumicos a partir del carbn

y residuos orgnicos.

Una tcnica para generar bio-

combusbles lquidos consiste en

realizar una pirlisis rpida de bio-

masa, con la cual se producen bio-

aceites, que luego de etapas poste-

riores de renado, puede generar

compuestos con propiedades simi-

lares a las de los combusbles fsi-

les, tales como el diesel o la gaso-

lina.

La pirlisis rpida de biomasa

empez a estudiarse a nales de

1970 y a principios de la dcada

de los 80s, en la Universidad de

Western Notario (Canad), donde

obtuvieron eleno y polipropileno

mediante pirlisis de madera u-

lizando un reactor de ujo ascen-

dente; posteriormente este pro-

yecto dio origen a la formacin de la

compaa Ensyn. En 1980 GTRI en

USA, inici un proyecto en el que se

emple un reactor de tubos rotato-

rios con parculas en movimiento,

el cual obtuvo rendimientos de bio-

aceite del 28 % p/p.

En 1984 el Laboratorio de

Energa Renovable de USA NREL,

incursion en el empleo de cataliza-

dores durante la pirlisis, buscando

mejorar la calidad de los aceites

producidos; de esta forma, desa-

rroll un pirolizador catalco po

vrtex a escala piloto, empleando

zeolitas como catalizador, para pro-

ducir combusbles lquidos como

gasolina, BTX y fracciones fenlicas.

En la dcada de los 80s, laboratorios

y universidades de Europa y Norte

Amrica desarrollaron tecnologas

para la produccin de aceites piro-

lcos, cuyo principal objevo fue

lograr incrementos en el rendimiento

de la pirlisis en trminos de la can-

dad de bio-aceite producido; dentrode estos Centros se encuentran los

siguientes: Pyrovac, que emple pre-

siones reducidas del orden de los 15

kPa y temperaturas alrededor de los

450 C para obtener rendimientos

de hasta 47 % p/p; La Universidad

de Twente, en Holanda, desarroll

un reactor cnico rotavo, en el cual


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las parculas de biomasa choca-

ban tangencialmente con las pare-

des del pirolizador, logrndose una

pirlisis abrasiva con rendimien-

tos de 60 %p/p; Dynamove, enCanad, trabaj con reactores de

lecho uidizado para obtencin de

aceites aplicables para renacin

y control de emisiones de SOx y

NOx en plantas de combusn de

carbn; de igual forma se realiza-

ron estudios a escala piloto en Bl-

gica, Gran Bretaa, USA, y Suiza,

principalmente, con adelantos en

uso de catalizadores en reactores

de lecho uidizado, en los que seproces biomasa con ujos desde

1 hasta 2000 kg/h, en reactores de

lecho empacado, lecho uidizado

y po vrtex abrasivo, principal-

mente.

Actualmente, es de gran impor -

tancia prcca el proceso de

pirlisis rpida, el cual es un pro-

ceso de descomposicin trmica

que se produce a temperaturas

moderadas con una alta veloci-dad de transferencia de calor a

la biomasa y un corto empo de

residencia del vapor caliente en la

zona de reaccin. Varias congu-

raciones de reactor se ha demos-

trado que aseguran esta condicin

y logran rendimientos cercanos

al 75% basado en el peso inicial

de la biomasa seca. La pirlisis

rpida de la biomasa produce un

producto lquido, aceite de pir-

lisis o bio-aceite que puede ser

fcilmente almacenado y trans-

portado. La pirlisis rpida ha

alcanzado un xito comercial para

la produccin de sustancias qu-

micas y est siendo acvamente

desarrollada para la produccin de

combusbles lquidos.

Factores que determinan

el rendimiento de la

pirlisis

Entre los factores principales que

afectan el proceso de pirlisis se

encuentran la temperatura y la

rampa de calentamiento en la con-

versin de la biomasa a productos

gaseosos, slidos y lquidos (Demir-

bas, 2003). Si el propsito es maxi-

mizar la conversin de los productos

lquidos resultantes, la pirlisis de

la biomasa se hace a temperaturas

bajas, alta rampa de calentamiento

y tiempos de residencia cortos delos gases. Para una alta produccin

de carbn vegetal el proceso se hace

a bajas temperaturas y bajas ram-

pas de calentamiento. Si se desea

maximizar la conversin de los gases

combustibles resultantes, el proceso

se realiza a altas temperaturas, baja

rampa de calentamiento y largos

tiempos de residencia de los gases.

La tecnologa de pirlisis se

clasica de acuerdo con el empode residencia de la biomasa, la tem-

peratura mxima y el producto prin-

cipal (Cuadro 4).

A escala experimental se han

ejecutado numerosos ensayos en

varios pases, ulizando diferentes

pos de biomasa. Por ejemplo, la

pirlisis de carbn se est llevando

a cabo a escala industrial. La Corpo-

racin Yawata Works de Nippon Steel

en Japn, construy una planta queprocesa 1000 Ton/da de carbn,

para la produccin de gases y acei-

tes principalmente. Este proceso se

caracteriza por el alto rendimiento

trmico global logrado con un sis-

tema de gasicacin del char, el cual

combina la pirlisis rpida del car-

bn y el reciclado parcial del char

producido durante la pirlisis, para

usar el calor sensible de este lmo

en el producto de gasicacin, escomo una fuente de calor para la

reaccin del carbn pulverizado

(Kawasaki S. 2004)

Dynamove, empresa cana-

diense, realiza la pirlisis de ase-

rrn de madera, alcanzando cifras

de 100 t/dia (Sandving E. 2002).

En la actualidad la tendencia se dirige

hacia construccin de plantas de

mayor capacidad de procesamiento,

hasta 200 t/da. Wellman (compa-

a europea) ha obtenido resultados

interesantes en una planta de pir-

lisis de lecho uidizado de 250 kg/h

en Oldbury (Inglaterra) y en Porvoo

(Finlandia), en la planta de pirlisis

rpida de Fortum que procesa 500

kg/h.

Cuadro 4. Tipos de pirlisis segn la tecnologa ulizada.

Tecnologa Tiempo de residencia Temperaturamxima (oC) Producto principal

Carbonizacin Horas-das 300-500 Carbn vegetal

Lenta 5 30 min 400-600Bio-oleoCarbn

Gas

Rpida 5 s 450-600Carbn

Gas

Rpida 5 s 700-900Carbn

Gas


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Existen numerosas con-

guraciones de los reactores (Die-

trich Meier) para la pirlisis rpida,

entre los cuales se pueden sealar:

uidizacin neumca, la cual com-

prende reactor de lecho jo y lecho

uidizado, uidizacin mecnica,

en la cual la cual reactor es un cono

rotatorio o un tornillo sin n y por

ulmo reactores de calentamiento

por contacto directo en un disco

caliente o con tanque de vacio, como

lo muestra la Figura 1.

Los invesgadores del NREL

(Naonal Renewable Energy Labo-

ratory) a escala de laboratorio estn

desarrollando proceso gasicacin

y pirlisis para converr la biomasa

y sus residuos en combusbles y

productos qumicos. Los resultados

Figura 1: Conguraciones del reactor para pirlisis rpida, Fuente: Sandving, 2002.

proporcionan una slida compren-

sin de la qumica de la pirlisis de

biomasa, incluendo la estabilizacin

y el mejoramiento de bioaceites,

posibles aplicaciones de lquidos de

pirlisis y los requerimientos para la

ingeniera de sistemas que pueden

producir combusbles y productos

qumicos a gran escala. (hp://

www.nrel.gov/)


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Productos de la

pirlisis

En el Cuadro 5 se observan los

resultados de un caso tpico de

pirlisis rpida de madera y en el

Cuadro 6 algunas propiedades del

bioaceite (Sdaka, 2006).

Figura 2. Reduccin de emisiones de NOx por uso de bio-aceites

Fuente: Demirbas, 2008.

Cuadro 5. Rendimiento de la pirlisis rpida.

ProductoRendimiento

(% masa)Energa/Volumen

(MJ/m3)Energa/Masa

(MJ/kg)

Madera 100% 8000 20

Bio-aceite 65% 25000 21

Char 12% 9000 30

Gas 23% 15 12

Fuente: Sdaka, 2006

Cuadro 6. Propiedades del bioaceite obtenido de la pirlisi rpida de madera.

Propiedad Rango

Densidad (kg/lt) 1.1 - 1.3

Poder calorco inferior (MJ/kg) 13 18

Viscosidad (cSt) 13 - 80 (a 50 C)

Conducvidad trmica W/m-K 0.35 - 0.43

Capacidad calrico (KJ/kg*K) 2.6 - 3.8 (a 25 - 60 C)

Punto de ignicin (C) 110 - 120

Agua (% peso) 15 - 30

pH 2.0 - 3.7

(Sdaka 2006)

El bioaceite como combusble

ene numerosas ventajas compe-

vas sobre los combusbles pro-

venientes de la industria petrolera

(Brown R., y Holmgren J., 2006),tales como: 1. Bajas emisiones de

Oxido de Nitrgeno (NOx), (ver

Figura 2), ya que genera 50%

menos de emisiones de NOx que un

Fuel-Oil liviano en turbinas de gas

y turbinas diesel convencionales. 2.

Emisiones nulas de Oxido de Azufre

(SOx) debido a que es un combus-ble proveniente de desperdicios

orgnicos se considera balance nulo

de CO2. Por su baja viscosidad el

bioaceite puede ser almacenado,

bombeado y transportado en una

manera similar a los combusbles

procedentes del petrleo. El reem-

plazo de los combusbles fsiles

por Bio-Oil genera impactos posi-

vos para el medio ambiente, por la

reduccin de emisin de gases deefecto invernadero. Por su mayor

densidad, comparada con la de

otros combusbles lquidos, es posi-

ble transportarlo en mayor candad

en una misma unidad de volumen.

El bioaceite se puede emplear

como sustuto ecaz para diesel,

aceite pesado, aceite liviano, gas

natural en diferentes equipos y en

la industria, tales como: calderas,

rehervidores, hornos, motores esta-cionarios y metalurgias en donde

se ulizan estos combusbles

como fuentes de energa y poten-

cia. Aunque para estas aplicaciones

se deben tener en cuenta algunas

modicaciones, debido a las com-

posiciones qumicas complejas pre-

sentes en estos combusbles. Por

lo tanto algunas propiedades del

Bio-oil enen que ser modicadas

para su mejor aprovechamiento.

(Garcia M., et al, 2006).

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