Torrefacción como pretratamiento de mejora del biocombustible sólido

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 lusitĂĄnica (Clu) Eucalyptus (Euc) Gmelina arbĂłrea (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 : ▲Ttorrefaction (250ºC) → ▟myield: 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