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Biotecnología en el Sector Agropecuario y Agroindustrial

Print version ISSN 1692-3561

Rev.Bio.Agro vol.10 no.2 Popayán July/Dec. 2012

 

OBTENCIÓN DE BIOCOMBUSTIBLES PRODUCTO DE LA PIROLISIS RÁPIDA DE RESIDUOS DE PALMA AFRICANA (Elaeis guineensis Jacq.)

BIOFUELS PRODUCTION BY FAST PYROLYSIS OF PALM OIL WASTES (Elaeis guineensis Jacq.)

OBTENÇÃO DE BICOMBUSTÍVEIS POR PIRÓLISE RÁPIDA DE RESÍDUOS DE PALMA DE DENDÊ (Elaeisg uineensis Jacq.)

JUAN C. ARTEAGA V.1, ERIKA ARENAS C.2, DAVID A. LÓPEZ R.3, CARLOS M. SÁNCHEZ L.4, ZULAMITA ZAPATA B.5

1 Estudiante Facultad de Ingeniería Química. Universidad Pontificia Bolivariana. Medellín. Colombia

2 Doctora en Ingeniería. Profesor Facultad de Ingeniería Química. Universidad Pontificia Bolivariana. Medellín. Colombia

3 Estudiante Facultad de Ingeniería Química. Universidad Pontificia Bolivariana. Medellín. Colombia

4 Ingeniero Mecánico. Grupo Energía y Termodinámica Universidad Pontificia Bolivariana. Medellín. Colombia

5 Magíster en Ingeniería. Profesor Facultad de Ingeniería Química. Universidad Pontificia Bolivariana. Medellín. Colombia

Correspondencia: erika.arenas@upb.edu.co

Recibido para evaluación:27/01/2012. Aprobado para publicación: 05/07/2012

RESUMEN

El objetivo de este trabajo es la obtención de biocombustibles por medio de la pirólisis rápida de residuos de palma africana (Elaeis guineensis Jacq.), en un reactor de caída libre. Previamente la biomasa es sometida a un proceso de tamizado y secado, para luego ser alimentada al reactor. Producto de la pirólisis se obtiene carbonizado, gasesincondensables y un líquido condensado (bio-oil),compuesto de alcoholes, ácidos carboxílicos, alcanos y compuestos aromáticos. Las pruebas se realizaron en un rango de temperaturas entre 500-700°C y se encontró que a 600°C el rendimiento del proceso fue máximo con un 23.3% de biocombustible condensado. La composición de los gases a 600°C fue CO22,720%, H20,703 % , CH41,289%, CO 2,472 % y el resto es N2. La mayor cantidad de gases incondensables se obtuvo a 700°C pero el rendimiento del bio-oil es solo del 14.9% en peso. Los resultados evidencian que la temperatura del reactor es un parámetro importante en la composición de los gases y el rendimiento del bio-oil. Una fase posterior será evaluar costos y beneficios para re-configurar el reactor de manera tal que se optimice el rendimiento en la producción de bio-oil evaluando la posibilidad de usar los gases incondensables como fuente de energía para la pirólisis.

PALABRAS CLAVES: Biomasa,Pirólisis Rápida,Bio-oil

ABSTRACT

Biofuels were obtained by fast pyrolysis of palm oilwastes (Elaeis guineensis Jacq.) in a free fall reactor. Previously, palm oil wastes were dried and sieved and then were fed to the reactor. As pyrolysis products, char, non-condensable gas and bio-oil, a condensed liquid composed by alcohols, carboxylic acids, alkanes and aromatics, were obtained. The experiments were carried out at temperature range 500-700°C. The highest bio-oil yield, 23.3%, was obtained at 600°C. The gas compositional analysis showed CO2,720%, H0,703 % , CH1,289%, CO 22 4 2,472 % and N2 for the non-condensable gas produced at 600°C. The highest gas yield was obtained at 700°C but bio-oil yield was 14.9%. Results indicate that temperature has an important effect on the product yields and composition. A future step will be an economical analysis in order to evaluate the possibility of using non-condensable gas as energy source for pyrolysis reactor.

KEY WORDS:Biomass, Fast pyrolysis, Bio-oil.

RESUMO

O objetivo destetrabalhofoi a obtenção de bicombustíveis a partir da pirólise rápida de resíduos de palma de dendê (Elaeis guineensis Jacq.) num reator de queda livre. Inicialmente a biomassa passou por uma serie de peneiras, havendo sido posteriormente secada e finalmente fornecida ao reator. Após da pirólise, foram obtidos um carbonizado solido, uma fração gasosa e um liquido condensado (bio-oil), o qual é composto por alcoóis, ácidos carboxílicos, e hidrocarbonetos de tipo alcanos e aromáticos. Os testes foram feitos entre 500 – 700 ºC, encontrando se o maiorrendimento para o bio-oil a 600 ºCcomum 23.3 % em peso. A composição dos gases para esta temperatura foi de 2.72 % vol. para o CO2, 0.706 % vol. para o H2, 1.289 % vol. para o CH4. A composição restante foi de N2. A maior quantidade de gases foi obtida quando o processofoifeito a 700 ºCembora o rendimento do bio-oilfoi de 14.9 % em peso. Os resultados mostraram que a temperatura no reator é um parâmetro importante na composição dos gases e no rendimento do bio-oil. Uma fase posterior consistiria na avaliação dos custos e os benefícios para re-configurar o reator a fim de otimizar o rendimentonaprodção do bio-oil, assim como de avaliar a possibilidade de usar a fração gasosa como fonte energética para levar a cabo o processo de pirólise.

PALAVRAS-CHAVE: Biomassa, Pirólise rápida, Bio-oil.

Recibido para evaluación: 27/01/2012 Aprobado para publicación: 05/07/2012

INTRODUCCIÓN

La biomasa es un recurso potencial de energía renovable, ya que podría sustituir los combustibles fósiles tanto sólidos como líquidos y gaseosos mediante la transformación de la biomasa por medio de procesos termoquímicos, físicos y biológicos.

Colombia es un país con un gran potencial de biomasa y residuos agroindustriales que en algunos casos son desperdiciados, sin aprovechar su potencial como materia prima en procesos alternos de conversión de energía tales como los procesos termoquímicos. En el caso de la palma africana durante la extracción del aceite se generan aceite crudo, 20%; torta de palmiste, 4%; raquis, 25%; fibra, 7%; cuesco, 10%; cachaza fibrosa, entre 3 y 5%, y otros efluentes [1]. La fibra puede ser usada directamente como combustible sólido en calderas. Sin embargo tanto la fibra como el cuesco tienen potencial para producir biocombustibles gaseosos y líquidos.

La transformación de residuos agroindustriales en combustibles líquidos y gaseosos se puede realizar a través de procesos termoquímicos como la gasificación y la pirólisis [2,3]. Dentro de éstos, la pirólisis rápida ha ganado un gran interés en el mundo académico y en la industria, por su alto rendimiento en conversión de líquidos ya que estos pueden ser fácilmente almacenados y transportados. El proceso de pirólisis rápida es preferible a una pirólisis lenta en cuanto a la alta producción de líquidos. Las principales características de este proceso son: altas tasas de calentamiento y transferencia de calor, control de la temperatura de proceso alrededor de 500°C en la fase vapor con cortos tiempos de residencia del vapor, usualmente menores a 2 s, y enfriamiento rápido de los vapores para obtener el bio-oil. [4]. Aunque el principal producto de la pirólisis rápida es el líquido, también se producen gases y residuos sólidos que tienen potencial uso como fuente de energía para el mismo proceso de pirólisis, o en el caso del sólido también puede ser usado como carbón activado y en la remediación de suelos. En el proceso de pirólisis rápida, la biomasa se calienta rápidamente en ausencia de oxígeno. Como resultado, la biomasa se descompone en gases y estos son condensados para obtener un líquido denominado bio-oil. Este es una mezcla compleja de compuestos que contienen agua, azúcares, ácidos, ésteres, aldehídos, cetonas, furanos, fenoles, cresoles y glicoles [5,6].

El bio-oil tiene muchas aplicaciones en el campo de la energía y los combustibles, ya que esté puede ser usado como precursor de otros compuestos químicos y ha sido probado para aplicaciones en calderas, hornos, turbinas y motores para la generación de calor, electricidad y/o vapor [7, 8, 9].

Por otra parte, se puede usar como combustible para vehículos de transporte, mediante el tratamiento de algunas propiedades negativas como la acidez, el alto contenido de oxígeno, la viscosidad y el bajo poder calorífico. Una revisión detallada de sus aplicaciones y propiedades se documentan en [6,10]. Algunas de estas propiedades negativas pueden ser removidas mediante el procesamiento del bio-oil a través de tratamientos físicos y químicos [11, 12].

Una gran variedad de configuraciones del reactor han sido desarrolladas para la pirólisis rápida de la biomasa [13];para este estudio se usó un reactor de caída libre con N2 como gas de arrastre.Muchos estudios han informado la influencia de parámetros como la temperatura, composición de la biomasa, tamaño de las partículas y contenido de humedad sobre el rendimiento del bio-oil[14, 15]. Otros estudios han reportado la influencia de estos parámetros en las propiedades físico-químicas del bio-oil [16,17]. En este trabajo, se estudió la variación de la composición química de los gases y el rendimiento de bio-oil de la pirólisis rápida de residuos de palma africana (cuesco), en función de la temperatura con el fin de optimizar el proceso y aprovechar en un futuro la energía de los gases en el proceso. El poder calorífico del sólido (carbonizado) se calculó con base en la norma ASTM (D-240) y la caracterización de los gases, se realizó por medio de cromatografía gaseosa.

MÉTODO

Preparación de la biomasa

Los residuos de cuesco de palma africana fueron secados y triturados para su envío desde la región de producción (Región Caribe de Colombia) al sitio de realización de los experimentos. Este material fue tamizado y se encontró que eltamañode partículas era inferior a 1.0 mm. Previo a la alimentación al reactor los residuos fueron secados en mufla a 110°C durante dos horas para llevar su humedad a valores inferiores Figura 1. Diagrama del equipo a 15%. El análisis elemental del material se presenta en el Cuadro 1.

Producción de Bio-oil usando un reactor de caída libre

Se utilizó un reactor de caída libre para la producción de bio-oil. La temperatura de operación es una de las variables que más afecta los rendimientos de productos de pirolisis [4], por lo cual se seleccionó esta variable como factor a variar en la experimentación. Con base en la revisión bibliográfica, se establecieron valores de operación de 500, 600 y 700ºC para evaluar el rendimiento de bio-oil. La pirólisis es un proceso endotérmico por lo cual se debe suministrar energía al reactor. En el equipo usado se realizó el calentamiento mediante resistencias eléctricas. Un
diagrama esquemático de la configuración del reactor se presenta en la Figura 1.

En cada experimento, se alimentan 2g.min-1

biomasa en el reactor usando un tornillo sinfín alimentador. Previamente se dispuso de una válvula para evacuar todo el oxígeno presente en el equipo, por medio de una purga con N2 para garantizar un medio no oxidante para la pirolisis rápida.

Los experimentos se realizaron por duplicado, los rendimientos de bio-oil y carbonizado, se calcularon midiendo su peso al final de cada experimento, mientras que el rendimiento de gas se determinó por diferencia en el balance de materia.

Caracterización de gases no condensables

Diferentes autores han caracterizado los gases no condensables que están compuestos principalmente por CO, CO2, H2 y CxHy diluidos en N2. Becidan [18] para la caracterización de gases utilizó las técnicas de FTIR (Análisis infrarrojo con transformada de Fourier) y cromatografía de gases, encontrando una buena concordancia de los resultados obtenidos con ambas técnicas. Sin embargo, la técnica de cromatografía de gaseseslamásusadaeninvestigaciones quereportan el análisis de gases de pirólisis [19-23].

Figura 1.

Para la recolección de las muestras de gas se usaron bolsas Tedlar y su análisis se realizó con un cromatógrafoAgilent 7890 A, detectores FID y TCD, equipado con dos columnas : HP Plot Q: Longitud 15 m (software: EZChromElite) y HP Molsieve 5A: Longitud 30 m (software: EZChromElite); para elución de N2, CH4, CO, CO2 e H2, el gas de arrastre es helio alta pureza (99,99999%) con un flujo de 4,7 mL.min-1. La rampa de temperatura es 60°C.min-1 hasta una temperatura final de 240°C durante 2 minutos, con una tasa de incremento de 30°Cmin-1, con ello se asegura una correcta separación cromatográfica; la temperatura en el puerto de inyección es de 120°C asegurando un estado gaseoso en la inyección. La curva de calibración fue hecha con mezclas de gases que incluyen H2, CO, CO2 y CH4 balance en helio.

RESULTADOS

Rendimiento del bio-oil

Los rendimientos de bio-oil, gases no condensables y carbonizado (char) o residuo sólido producto de la pirólisis en función de la temperaturase presentan en la Figura 2.

La pirólisis del residuo de palma a 500ºC dio un rendimiento de 9.6% en peso de bio-oil y 71.4% en peso de residuo sólido o carbonizado, aunque para este caso se observó que en el residuo sólido había alta presencia de materia prima sin reaccionar. A medida que la temperatura depirolisis iba aumentando la producción de bio-oil también lo hacía, hasta que alcanzó el máximo rendimiento a 600°C, donde el rendimiento de bio-oil fue del 23.3% en peso, luego a medida que la temperatura aumentaba el rendimiento decrecía hasta un 14.9% en peso de bio-oil.La medida de los rendimientos de bio-oil tuvo una desviación estándar de 1.3. En el caso de las medidas de rendimiento de residuo sólido, la desviación estándar tuvo un valor de 1.0 y para los gases una desviación estándar de 0.56.

La tendencia del rendimiento es similar a la encontrada en estudios previos realizados por otros autores [14,24], aunque los valores de rendimiento de bio-oil son relativamente bajos ya que los autores mencionados reportan rendimientos de bio-oil hasta del orden de 65%. También se observa que al aumentar la temperatura aumenta la producción de gases no condensables, este fenómeno se debe a que las altas temperaturas llevan reacciones secundarias de craqueo de los volátiles liberados inicialmente en la pirólisis favoreciendo la presencia de hidrocarburos gaseosos de bajo peso molecular, H2, CO2 y CO.

Análisis de los gases incondensables La caracterización de los gases incondensables producto de la pirólisis del residuo de palma de aceite, se realizó a las mismas temperaturas (500, 600 y 700ºC) ya antes trabajadas, para encontrar el efecto de estas en la composición de los gases incondensables, las sustancias a cuantificar son CO2, H2, CH4, CO y N2. Se tomaron cuatro muestras con intervalos de 30 minutos
por experimento a cada temperatura, y se reporta la composición de los gases a cada temperatura como el

Figura 2

Figura 3

promedio de los cuatro muestreos. Posteriormente se grafica la composición de lows gases producto de la pirólisis en función de la temperatura como se muestra en la Figura 3.

En la Figura 3 se observa que la tendencia de la concentración de H2, CH4, CO y CO2 es aumentar a medida que la temperatura aumenta lo cual conlleva a
que el poder calorífico del gas sea mayor Esta tendencia coincide con reportes realizados por otros autores [25, 26]. Los gases con mayor producción son CO y COmientras que H2 y CH4 se producen en menor proporción. La composición de los gases a 600°C, la temperatura en la cual se obtuvo el mayor rendimiento de bio-oil, fue 2.720% de CO2, 0.703 % de H2, 1.289% de CH4, 2.472 % de CO y el resto es N2. Estos valores indican que el gas podría ser usado en el proceso de pirólisis para ser aprovechado como fuente de energía.

El poder calorífico del carbonizado se calculó con base en la norma ASTM (D 240), y esta se aplicó al carbonizado obtenido a 600°C, dado que a esta temperatura se obtuvo el mayor rendimiento de bio-oil, dando como resultado un poder calorífico superior de 22529,59 kJ/kg.

CONCLUSIONES

La pirolisis deresiduos de palma africana serealizó a diferentes temperaturas, en un reactor de caída libre, el rendimiento máximo debio-oil se obtuvo a 600°C con un valor del 23.3%. La concentración de CH4 y H2 se incrementómientras que el rendimiento de bio-oil se redujo con el aumento de la temperatura por encima de 600°C. Aunque la temperatura es una de las variables que más afecta el rendimiento de productos, para optimizar la operación del proceso, se hace necesario realizar más experimentaciones, con el fin de establecer que otras variables influyen en el rendimiento, composición y propiedades físicas y químicas del bio-oil, carbonizado y gases incondensables.

Adicionalmente se debe evaluar los costos y beneficios económicos que se podrían obtener si se utilizan los gases no condensables como fuente de energía para el proceso de pirólisis. Esto se evidencia en el caso de 700°C donde el rendimiento de bio-oil es solo de 14.9% pero la composición de los gases no condensables refleja un gas con mayor poder calorífico que podría ser usado como fuente de energía y sustituir la energía
eléctrica, el cual es un recurso más costoso.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen la financiación brindada por el Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural de Colombia y Empresas Públicas de Medellín E.S.Pa través del convenio CIIEN.

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