Oportunidades
TORREFACCIÓN: Pretratamiento de mejora de biocombustibles sólidos
para la traNsformación de la biomasa forestal en energía y las posibilidades mediante procesos de gasificación
Juan Fernando Pérez Bayer Grupo de manejo eficiente de la energía – GIMEL Departamento de Ingeniería Mecánica Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia Seminario Internacional Transformación de la Biomasa Forestal en Energía. Cartago, Costa Rica, 2017
AGENDA 1. ¿Qué es la torrefacción?. 2. Introducción: energía y cultivos forestales en Colombia 3. Torrefacción de diferentes tipos de madera con N2 4. Torrefacción de pino patula en atmósfera oxidante 5. Bibliografía 6. Agradecimientos
1. ¿Qué es la torrefacción?
1. Torrefacción: Proceso termoquímico que mejora propiedades de la biomasa. Pretratamiento térmico realizado a la biomasa sólida para mejorar y homogenizar sus propiedades. Este proceso se lleva a cabo a temperaturas moderadas (entre 200 y 300°C) durante un tiempo menor a una 1 hora, bajo una atmósfera inerte.
Oxígeno Carbono Humedad
Poder calorífico
Propiedades hidrofóbicas
Sankar J, et al. A Review on Biomass Torrefaction Process and Product Properties. INL, 2011
2.1 Recursos energéticos en Colombia 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
USD/MMBTU
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
Consumption
Stock
R/P oil 7 años
year Año
06/05/2013
Year
27/12/2014
18/08/2016
2030
2029
2028
2027
Reservas probadas Reservas probables
Oil NG Coal
14/09/2011
2026
2025
2024
2023
2022
2021
2020
2019
2018
2017
2016
2015
2014
2013
2012
2011
R/P coal 90 años Demanda Probadas+probables
22/01/2010
Reservas / Producción (R/P): R/P GN 6-7 años
2010
2. Introducción
MPCD
mmscfd gas
Natural gas
Problemas de autosuficiencia energética: gas natural & petróleo.
80% energía primaria depende de petróleo, GN, y carbón. Impulso de la biomasa como recurso renovable. Biomasa: biocombustibles líquidos, gaseosos y sólidos. Recurso que contribuye al desarrollo técnico, social, económico de modo sostenible.
2.2 Potencial de cultivos forestales
2. Introducción
600,000 ha cultivadas con especies forestales de rápido crecimiento (e.j. pinos & eucalyptus) 17 – 20 Mha con potencial para establecer cultivos forestales de rápido crecimiento sin afectar la agricultura. Retos de la biomasa forestal: ▲ Contenido energético ▲ Densidad aparente ▼ Humedad ¿Cómo se afectan las propiedades de la biomasa en función del tipo de madera y de la temperatura de torrefacción? Oportunidad agrícola para el post-conflicto Colombiano.
express.co.uk
3. Torrefacción de diferentes especies
3.1 Estudio 1: Descripción del estudio El objetivo es caracterizar las propiedades como combustible de 4 especies forestales de rápido crecimiento sometidas a torrefacción (como pretratamiento de mejora) y analizar los productos de pirólisis rápida de las http://pyrowiki.pyroknown.eu muestras crudas y pretratadas mediante Py/GC/MS.
P. Maximinoi
E.Grandis
P. Patula
G. Arborea
http:renewableenergymagazine.com/ https://www.btg-btl.com
Pyrolysis products by PyGC/MS
3.1 Estudio 1: DescripciĂłn del estudio 3. TorrefacciĂłn de diferentes especies
Torrefacción a 200 – 250 – 300 ºC por 30 min. Species Acacia mangium (Aca) Cupressus lusitånica (Clu) Eucalyptus (Euc) Gmelina arbórea (Gme) Pinus patula (Pat) Pinus Maximinoi (Psp) Tectona grandis (Tecg)
Area (ha) 11300 4278 46115 4972 38495 59811 6341
Mean annual Harvest time increment turn (years) (m3/ha/year) 28 4 23 10 25 7 23 7 20 13 20 13 18 7
Process & biomass characterization Process: Mass yield Energy yield Torrefied biomass: CHON TGA PyGC/MS đ?‘€đ?‘Žđ?‘ đ?‘ đ?‘Śđ?‘–đ?‘’đ?‘™đ?‘‘ =
đ??¸đ?‘›đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘”đ?‘Ś đ?‘Śđ?‘–đ?‘’đ?‘™đ?‘‘ =
đ?‘šđ?‘?đ?‘šđ?‘ ,đ?‘Ąđ?‘œđ?‘&#x;đ?‘&#x; đ?‘šđ?‘?đ?‘šđ?‘
đ?‘šđ?‘?đ?‘šđ?‘ ,đ?‘Ąđ?‘œđ?‘&#x;đ?‘&#x; â‹… đ??ťđ??ťđ?‘‰đ?‘?đ?‘šđ?‘ ,đ?‘Ąđ?‘œđ?‘&#x;đ?‘&#x; đ?‘šđ?‘?đ?‘šđ?‘ â‹… đ??ťđ??ťđ?‘‰đ?‘?đ?‘šđ?‘
3.1 Estudio 1: Resultados 3. Torrefacción de diferentes especies
Property
Pinus maximinoi
Pinus patula
Eucalyptus grandis
Gmelina arborea
Proximate analysis ( %wt d.b) Volatile matter 74.33 Fixed carbon 25.45 Ash 0.22 Ultimate analysis (%wt d.b) C 54.45 H 7.04 O 37.79 N 0.52 S 0 Other properties Bulk density of raw woodchips (kg/m3) 175.60 Pinus Property maximinoi LHVd.b. (kJ/kg) 18990 Main mineral composition (% ash) SiO2 14.76 CaO 40.27 K2O 16.62 P2O5 4.14 Al2O3 3.58 MgO 16.02 Fe2O3 1.41 Alkali index1 (kg K2O and Na2O/ GJ) 0.02 2 Ratio base-to-acid 4.19 1 Parameter calculated according to Jenkins et al. [28] 2 Parameter calculated according to Salour et al. [29]
72.57 27.17 0.26
67.35 32.34 0.31
72.00 27.24 0.77
55.01 7.21 36.72 0.81 0.01
53.31 6.74 39.26 0.39 0.02
52.73 6.96 39.12 0.47 0.02
164.09 Pinus patula 18948
281.30 Eucalyptus grandis 18489
151.52 Gmelina arborea 18582
10.57 51.29 13.09 3.50 1.93 16.38 2.26 0.02 6.53
14.09 18.56 17.00 5.50 3.02 21.53 15.88 0.04 4.37
23.91 31.84 14.43 0.39 6.17 15.72 0.71 0.09 2.30
LHV 19 MJ/kg
chain of biomass ensures supply for bioenergy projects
• Índices alcalinos críticos se presentan cuando > 0.17 kg/GJ → Maderas crudas poseen baja tendencia al fouling (aglomeración de sales). • R: base/acido varía entre 2.3 6.5 (>>0.3): las maderas poseen baja probabilidad de fusión.
3.1 Estudio 1: Resultados
Energy yield (%)
Mass yield (%)
90 80 EGra
70
PPat PMax
60
GArb
Garb (55%): descomposiciĂłn de la 80 hemicelulosa y una fracciĂłn de la EGra celulosa. 70 PPat PMax
6
60
EGra
GArb
PPat
5
50
Raw a) EGra200 EGra250 EGra300
10 8
Mass yield
Cellulose peaks
VM/FC ratio
12
PMax
50 200 250 300 Torrefaction temperature ( C)
DTG (wt. %/min)
3. TorrefacciĂłn de diferentes especies
100
Mass yield : â–˛Ttorrefaction (250ÂşC) → â–źmyield: proceso de secado MV ligeros. 100 For 300 ÂşC → â–ź myield ď ž70% por descomposiciĂłn de la hemicelulosa. 90
4
GArb 200 250 300 Torrefaction temperature ( C)
3
b) Energy yield đ??¸đ?‘›đ?‘’đ?‘&#x;đ?‘”đ?‘Ś đ?‘Śđ?‘–đ?‘’đ?‘™đ?‘‘ =
2
1 Raw
6
đ?‘€đ?‘Žđ?‘ đ?‘ đ?‘Śđ?‘–đ?‘’đ?‘™đ?‘‘ =
Hemicellulose peaks
200 250 300 Torrefaction temperature (ÂşC)
Proximate analysis: Hasta 250 ºC: MV/FC no cambia significativamente → secado.
4 2 0
200
250
300 350 Temperature ( C)
400
450
Para 300 ÂşC: â–ź MV/FC El MV liberado se asocia a la degradaciĂłn de la hemicelulosa.
đ?‘šđ?‘?đ?‘šđ?‘ ,đ?‘Ąđ?‘œđ?‘&#x;đ?‘&#x; đ?‘šđ?‘?đ?‘šđ?‘
đ?‘šđ?‘?đ?‘šđ?‘ ,đ?‘Ąđ?‘œđ?‘&#x;đ?‘&#x; â‹… đ??ťđ??ťđ?‘‰đ?‘?đ?‘šđ?‘ ,đ?‘Ąđ?‘œđ?‘&#x;đ?‘&#x; đ?‘šđ?‘?đ?‘šđ?‘ â‹… đ??ťđ??ťđ?‘‰đ?‘?đ?‘šđ?‘
Lignina
3.1 Estudio 1: Resultados Biomass Peat Lignite Coal Anthracite
1.5 Atomic H:C ratio
3. Torrefacción de diferentes especies
1.8
1.2
EGra EGra250 PPat PPat250 PMax PMax250 GArb GArb250
0.9 0.6
Increased Heating Value
0.3
EGra200 EGra300 PPat200 PPat300 PMax200 PMax300 GArb200 GArb300
MV liverado posee alta relaciones H:C & O:C → en la biomasa ▼ H:C & O:C → ▲LHV biomasa torrefactada.
Celulosa
0.0 0.0
0.2 0.4 Atomic O:C ratio
Espectro de masas analizados para cada especie de madera (cruda y torrefactada a 200 y 300 ºC).
0.6
0.8
1.0
Hemicelulosa
3. Torrefacción de diferentes especies
3.1 Estudio 1: Conclusiones 1) La torrefacción a 200 ºC por 30 min. no favorece la descomposición de la hemicelulosa. El proceso está asociado a secado. 2) La producción del Levoglucosan en el bio-oil tiende a aumentar con la Temp. torrefacción debido a la menor producción de fenoles y acido acético durante la pirólisis.
3) El uso de madera torrefactada como material prima para procesos termoquímicos (e.j: pirólisis rápida y gasificación) ofrece una estrategia importante para mejorar la calidad del biocombustible sólido y su desempeño en procesos energéticos. 4) En el caso Colombiano, la torrefacción es una estrategia promisoria para integrar tecnologías que permitan un uso mas eficiente de la biomasa forestal con potencial dendroenergético.
4. Torrefacción en atmósfera oxidante - aire
4.1 Estudio 2: Descripción del estudio 17 millones de hectáreas con aptitud forestal
Condición Temperatura [°C] Tiempo [min]
FS
1
180
30
3.83
2
180
75
4.23
Tasa de crecimiento 3 4 del Pinus pátula (20 m3/ha/año) 5
180
120
4.43
210
30
4.72
210
75
5.11
6
210
120
5.32
7
240
30
5.60
8
240
75
6.00
9
240
120
6.20
Torrefacción en atmósfera oxidante: Aire
Malla: (5 -20 milímetros)
1. Compresor; 2. Remanso; 3. Regulador de presión; 4. Rotámetro; 5. Reactor; 6. Porta muestra; 7. Cerámico; 8. Cámara de aire 9. Moto-reductor; 10. Cadena; 11. Sprocket; 12. Resistencia eléctrica; 13. Controlador; T1: Termocupla en el interior del reactor; T2: Termocupla en el exterior del reactor.
4. Torrefacción en atmósfera oxidante - aire
4.1 Estudio 2: Descripción del estudio Masa Densidad aparente
Rendimiento másico
A. Último
A. Próximo
LHV
HGI
Rendimiento energético EMCI
Dureza
Experimental Correlación Cálculo
FVI
Densidad aparente [kg/m3]
75 min
80
120 min
60 40 20
180 20
80 60 30 min
40 20
75 min
210 240 Temperatura [ C]
120 min
15
180 C
210 C
240 C
5 0 180
210 240 Temperatura [ C]
240°C
160 140
120 100 30
75 Tiempo [min]
120
500 450 400 350
50 45 40 35 30 0
10
-5
210°C
120 min
180
210 240 Temperatura [ C] 30 min
75 min
180°C
180
HGI [-]
30 min
Rendimiento energĂŠtico [%]
Rendimiento mĂĄsico[%]
Raw
100
100
EMCI [%]
4. TorrefacciĂłn en atmĂłsfera oxidante - aire
4.2 Estudio 2: Resultados
đ??¸đ?‘€đ??śđ??ź(%) = đ?‘šđ?‘Ś ∗(
đ??żđ??ťđ?‘‰đ?‘Ąđ?‘œđ?‘&#x;đ?‘&#x; (đ?‘‡,đ?‘Ą)
đ??żđ??ťđ?‘‰đ?‘&#x;đ?‘Žđ?‘¤
− 1)
2 4 6 Factor de severidad [-]
8
4.2 Estudio 2: Resultados
30 min
75 min
120 min
Ash
100
MV
210 C
180 C
23.9 [MJ/kg]
240 C
180 C
6
ΔLHV [kJ/kg]
80
60 40 20
3
210 C 0
0
120
75
30
120
75
30
120
75
30
180
Raw
Análisis proxímo [%]
FC
Raw 180-30 180-75 180-120 210-30 210-75 210-120 240-30 240-75 240-120
Biomass Peat Lignite Coal Anthracite
Increased Heating Value
0.0
0.2
0.4
0.6
Atomic O:C ratio
0.8
1.0
240
Temperatura [ C] Raw
180-30
180-75
180-120
210-30
210-75
210-120
240-30
240-75
240-120
15
FVI [kJ/cm3]
1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
210
240 C
-3
Tiempo [min] Atomic H:C ratio
4. Torrefacción en atmósfera oxidante - aire
9
10
5 0
-5 -5
0
5 EMCI [%]
10
15
4. Torrefacciรณn en atmรณsfera oxidante - aire
4.2 Estudio 2: Resultados
a) Raw
b) Raw
c) Raw
d) 180.30
e) 180.75
f) 180.120
g) 210.30
h) 210.75
i) 210.120
j) 240.30
k) 240.75
l) 240.120
4. Torrefacción en atmósfera oxidante - aire
4.3 Estudio 2: Conclusiones • A la condición de torrefacción más óptima (210 °C – 75 min) se favorece el tanto el proceso como la calidad del material tratado. Esto se debe a que se da una baja pérdida de masa ( 14%), poca disminución en la densidad aparente (10%) y un incremento cercano al 5% en el valor del poder calorífico respecto a la biomasa sin tratar. • La torrefacción en atmósfera oxidante requiere de un menor grado de severidad para obtener condiciones similares a las obtenidas con la torrefacción en atmósfera inerte por lo que el consumo energético durante el proceso sería menor en comparación al proceso convencional. • Se evidencia que la torrefacción en atmósfera oxidante es un pretratamiento que mejora la calidad del biocombustible solido respecto a la biomasa cruda.
Referencias:
5. Bibliografía
Ramos S., Delgado S., Pérez J.F. Physicochemical characterization of torrefied wood biomass under air as oxidizing atmosphere. BioResources Journal. 12(3):5428-5448, 2017 Ramos S., Pérez J.F., Barrera R., Pelaez R., García M. Effect of torrefaction temperature on properties of Patula Pine. Madera, Ciencia & Tecnología. 19 (1):39-50, 2017 Pérez J.F., Barrera R., Ramirez G. Integración de plantaciones forestales comerciales colombianas en conceptos de biorrefinería termoquímica: una revisión. Revista Colombia Forestal. 18:273-294, 2015
Ramos S. Study of fixed bed gasification process of torrefied wood biomass under an oxidizing atmosphere. Tesis MSc, Universidad de Antioquia, 2017 Sebastián Delgado. Efecto de la torrefacción en atmósfera oxidante sobre las propiedades fisicoquímicas del pinus pátula. Proyecto de grado. Universidad de Antioquia, 2016 Pérez J.F., Peláez M.R., García M. Torrefaction of Fast-Growing Colombian Woods, sometido en Waste & Biomass Valorization. 2017
Agradecimientos:
6. Agradecimientos
Este trabajo ha sido desarrollado con el apoyo económico de: Proyecto “Estrategias de integración de la madera plantada en Colombia en conceptos de biorrefinería termoquímica: análisis termodinámico y caracterización de bioproductos”, financiado en la Convocatoria Programática Área Ingeniería y Tecnología 2014 – 2015 de la Universidad de Antioquia. Código PRG 2014-1016. Proyecto de sostenibilidad de grupos de investigación, financiado por la Universidad de Antioquia 2015-2016. Apoyo de la Washington State University.
¡Gracias por su atención!
Juan F. Pérez-Bayer
e-mail: juanpb@udea.edu.co Phone: (+57-4) 219 8552 - 5550 Mobile: (+57) 302 2871691
TORREFACCIÓN: Pretratamiento de mejora de biocombustibles sólidos
Juan Fernando Pérez Bayer Grupo de manejo eficiente de la energía – GIMEL Departamento de Ingeniería Mecánica Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia Seminario Internacional Transformación de la Biomasa Forestal en Energía. Cartago, Costa Rica, 2017