Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Fundamentos de la pirólisis y gasificación de biomasa
Curso Internacional en Biomasa y Biocombustibles 2007Universdad Nacional de Colombia, Bogotá, D.C.
Agosto 15 de 2007
W. Klose; S. Rincón; A.Gómez Grupo de Investigación en Biomasa y Optimización
Térmica de Procesos - BIOT
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Contenido
1. Introducción2. Fuentes de biomasa3. Tecnologías de transformación 4. Variables de los procesos5. Conclusiones
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Fotosíntesis
Biomasa
Uso Energético
CO2
Procesamiento
1. Introducción
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
1.1 Producción primaria mundial de energía
Petróleo
Gas
Carbón
Nuclear
Energías Renovables
21,3%
23,3%
35,6%
13,1%
6,7%
Combustibles renovables y
residuos
10,6%
Hidráulica 2,2%
Otras 0,5%
International Energy Agency. World Energy Outlook 2004
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
2. Fuentes de biomasa
Fuentes de biomasa
Cultivos energéticos, residuos agrícolas y forestales
Residuos agroindustriales y de industrias forestales
Residuos urbanos
Residuos ganaderos
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
3. Tecnologías de Transformación
Procesos Bioquímicos
Procesos Termoquímicos
Procesos Físicos
Pirólisis
Gasificación
Combustión
Licuefacción
Sólido
Líquido
Gas
Carbón Activado
Briquetas
Combus-tibles
Energía Eléctrica
Gas de Síntesis
* PCS: Procesamiento Secundario
PCS*
Calor
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
T / ºC
t
Gasificación
Seca
do
4.1 Procesos de transformación termoquímica: Perfil temperatura tiempo
Pirólisis
110
600
900
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
4.2 Reactores
Gas producido
Lecho Fijo
Gas barrido u oxidación
Biomasa
Producto sólido
Lecho Móvil
Gas producido
Biomasa
Gas barrido u oxidación
Lecho Fluidizado
Gas producido
Biomasa
Gas barrido u oxidación
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
4.3 Variables Procesos Termoquímicos
Reactor: Condiciones calentamiento
Partícula de Biomasa
Flujo gas de barrido u oxidacción: Atmósfera
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
4.3 Variables Procesos Termoquímicos
Partícula de Biomasa
Flujo de gas: Atmósfera
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
BMFase Volatil
Carbonizado
Reacciones
SecundariasPrimarias
4.3 Variables Procesos Termoquímicos
Fase sólidaFase Volátil
Flujo gas: Atmósfera
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
4.3 Variables del proceso de pirólisis
Carbonizado
Material sin reaccionar
Fase Volátil
Dirección FlujoGradientes Térmicos
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Variables
4.4 Variables del proceso de pirólisis
• Tasa de calentamiento• Temperatura máxima• Tiempo de residencia
Perfil Tiempo-Temperatura
• Atmósfera Inerte (N2, He, Ar)
• Atmósfera Reactiva (CO2, H2O, H2, Aire, O2)
• Presión
Atmósfera
Distribución de productos
CondensadoCarbonizado
Gas
• Forma y tamaño de partículas
• Composición orgánica
• Humedad
• Propiedades térmicas
Tipo de Biomasa
• Ceniza
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
NH C/N
NO C/N
Celulosa
MaderaLignito
Turba
Petróleo
Hulla
Antracita
Carbón mineral
Carbón mineral lignítico
4.4 Caracterización: Diagrama de van Krevelen
Cuesco de PalmaCascarilla de Café
Bagazo de caña
Fibra de Palma
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
41.5<16.351.6Madera
41.7<14.753.1Bagazo de Caña
43.8<15.350.3Cascarilla de Cafe
44.4<16.348.7Fibra de Palma
40.5<15.752.8Cuesco de Palma
O(1)[%]N [%]H [%]C [%]
4.4 Caracterización de biomasa: Análisis elemental
(1) Valor calculado por diferencia
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
---20.01.0906.0Madera**
16.917.98.18715.0Bagazo de Caña
17.518.71.28210.1Cascarilla de Cafe
17.118.45.2795.2Fibra de Palma
21.1*22.2*1.77911.2Cuesco de Palma
PCI(1)PCS(1)cenizaM.V.humedad
PODER CALORÍFICO [MJ/Kg]
ANÁLISIS PRÓXIMO [%]
(1) Valores correlación Boie: PCS,bs= 34,83 c,bs+115,84 h,bs+ 6,28n,bs- 10,8 o,bs
* Valor experimental
** Mc Kendry, P. Bioresource Technology 83 (2002) 37-46
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Ejemplo: Composición elemental de los diferentes productos de la pirólisis de cuesco de palma
17000350003500022200PCS/J/g
50190,941O / %
00,90,6<1N / %
6110,96H / %
44709853C / %
GasAlquitranesCarbonizadoBiomasa
4.4 Variables del proceso de pirólisis
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Gas Generado
Carbonizado
Reacciones
HeterogéneasHomogéneas
4.5 Proceso de gasificación: Partículas
Fase sólidaFase Volátil
Agente Reacción
C+H2O=CO+H2C+CO2=2COC+2H2=CH4
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Problemas de difusión: externa e interna
CO, H2, CO2, H2O: Efectos inhibitorios
Fase Volátil
Agente Reacción Tam. Grano
4.5 Proceso de gasificación: Partículas
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Variables
Atmósfera • Agente reacción: H2O, CO2 , O2• Concentración agente• Presión
4.6 Variables de gasificación
Grado de gasificación
Propiedades: Rendimiento en masa (gas y sólido); áreasuperficial; porosidad; densidad; resistencia abrasión
Temperatura yTiempo sostenim.
• Temperatura proceso (Tp)• Tiempo de sostenimiento a Tp
Materia Prima
• Ceniza• Porosidad,densidad,resistencia• Forma y tamaño de partículas
• Composición química
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
5. Conclusiones
•Los procesos de transformación termoquímica son versátiles ya que es posible obtener distintas fracciones de productos combustibles sólidos, líquidos o gaseosos. Esto permite su adaptación a las necesidades específicas de cada región.• Las principales variables del proceso de pirólisis son el tipo de biomasa; la tasa de calentamiento; la temperatura final del proceso; el tamaño de grano.
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
5. Conclusiones
• Las principales variables del proceso de gasificación son el tipo de biomasa; la temperatura del proceso; el tiempo de residencia; el tamaño de grano; la composición de la ceniza y el agente de reacción.
Universidad Nacional de Colombia Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Muchas gracias por su atención.
¿Preguntas?
Top Related