Pirólisis rápida de biomasa de palma africana y caña de azúcar para la obtención de bio-petróleo

Abstract

El cambio climático es el más acuciante problema ambiental global que enfrenta la humanidad, este se origina por las emisiones de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono, el cual se emite por la utilización de combustibles fósiles como fuente de energía para la calefacción, la electricidad y el transporte. El 40% del consumo mundial de energía proviene de los combustibles líquidos y de ese 40% el 97% se destina al transporte en todas sus formas. Según los Balances Nacionales de Energía (1970-2010) en el Perú el 61% del consumo de energía proviene de los hidrocarburos y de ese 61% el 64% se destina al transporte. El consumo de energía proviene de fuentes de menores reservas (petróleo), o bien de fuentes externas (importación de petróleo crudo y/o diésel), el Perú ha modificado la estructura de su matriz energética en 1977 y el 2004, en ambas ocasiones la estructura fundamental de la matriz energética no vario, solo se cambió la fuente de hidrocarburos, de líquidos a gas. El país debe cambiar su matriz energética hacia las energías renovables pero el cambio debe ser específico para sustituir o complementar a los combustibles requeridos por el sector transporte y para ello la única fuente de energía renovable a la vista es la conversión de biomasa en biocombustibles. La pirólisis rápida es un proceso en el cual la biomasa es velozmente calentada a alta temperatura en ausencia de oxígeno. Después del enfriamiento y la condensación se forma un líquido marrón llamado “bio-petróleo”, junto con subproductos como carbón y gas. Se investigó la producción de bio-petróleo a partir de la pirólisis rápida del bagazo de caña de azúcar y de los racimos de frutos vacíos (RFV) de la palma africana. Ambas biomasas se pirolizaron por separado y mezcladas en diferentes proporciones (25%, 50% y 75% de bagazo y el restante de RFV) en un reactor tubular de lecho fijo al vacío. La pirólisis al vacío de esas biomasas lleva a la producción de bio-petróleo, carbón y gases. Las condiciones que maximizan el rendimiento de bio-petróleo obtenidas en este estudio fueron una presión de vacío de 13.86 kPa abs, velocidad de calentamiento de 9 °C/min y una temperatura de pirólisis de 500 °C para los RFV y 600 °C para el bagazo. Los rendimientos máximos de bio-petróleo fueron 47.12% p/p y 55.35 % p/p en base seca para los RFV y bagazo. Respecto a la copirólisis de las mezclas de RFV y bagazo se establece que los rendimientos en bio-petróleo están entre los rendimientos de la pirólisis de los compuestos puros. Se realizaron análisis normalizados por ASTM —contenido de agua, punto de fluidez, poder calorífico, viscosidad, ceniza, azufre, densidad, pH y contenido de sólidos— al bio-petróleo para evaluar su calidad como combustible. Los bio-petróleos obtenidos en la pirólisis de los RFV y bagazo muestran características similares a las del crudo selva, un poder calorífico aceptable (11 a 21.31 MJ/kg), bajo contenido de azufre (0.0631 a 0.0772 % p/p) pero presentan alto contenido de agua (30 y 61.54 % v/v), ceniza (0.5135, 0.1003 % p/p) y sólidos (0.6669 a 1.3891 % p/p) por lo que para su empleo deben ser pretratados para reducir el contenido de agua y sólidos y mejorar su viscosidad. Los bio-petróleos obtenidos en la copirólisis de los RFV y bagazo muestran contenidos de agua entre 30 a 65% v/v, el poder calorífico superior esta por debajo de 1 MJ/kg. La copirólisis origina mas agua que la pirólisis de los compuestos puros. Esto merma la calidad del producto obtenido haciéndolo no aplicable como combustible.

La composición química del bio-petróleo se investigo empleando la técnica analítica de espectroscopia de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR). Todos los espectros FTIR obtenidos son similares. La identificación cualitativa registra la presencia de compuestos oxigenados, alcanos y aromáticos. El hexadecano que es el componente típico del diésel-2 y el iso-octano que es típico de la gasolina están presentes en todos los espectros. Se realizo el análisis próximo y la determinación del poder calorífico superior (PCS) del carbón. El PCS varía entre 23.894 a 28.356 MJ/kg lo cual lo hace apto para su uso como combustible.

Climate change is the most pressing global environmental problem facing humanity; this is caused by emissions of greenhouse gases like carbon dioxide, which is emitted by the burning of fossil fuels as an energy source for heating, electricity and transport. The 40% of global energy consumption comes from liquid fuels and 97% of that 40% goes to the transportation in all its forms. According to the National Energy Balances (1970-2010) in Peru, 61% of energy consumption comes from oil and 64% of that 61% goes to the transportation. The energy comes from sources lower reserves (oil) or external (import of crude oil and / or diesel), Peru has changed the structure of its energy in 1977 and 2004, both times the fundamental structure of the energy matrix did not change, only change the source of oil, gas liquids. The country must change its energy mix to renewable energy but the change must be specified to replace or supplement the fuel required for the transport sector and for this the only renewable energy source in sight is the conversion of biomass into biofuels. The fast pyrolysis is a process in which the biomass is quickly heated to high temperature in the absence of oxygen. After the cooling and condensation forms a brown liquid called "bio-oil", along with products such as char and gas. We investigated the production of bio-oil from the fast pyrolysis of sugarcane bagasse and palm empty fruit Bunches (EFB). Both biomasses were pyrolyzed separately and mixed in different proportions (25%, 50% and 75% of bagasse and the rest of EFB) in a fixed bed tubular reactor under vacuum. The vacuum pyrolysis of the biomass leads to the production of bio-oil, char and gas. The conditions that maximize the yield of bio-oil obtained in this study were a vacuum pressure of 13.86 kPa abs, heating rate of 9 °C/min and a pyrolysis temperature of 500 °C for EFB and 600 °C for bagasse. The maximum yields of bio-oil were 47.12% w/w and 55.35% w/w dry basis for the EFB and bagasse. Regarding the co-pyrolysis of the EFB and bagasse mixtures, found that bio-oil yields are between the yields of the pyrolysis of the pure compounds. Analyzes were performed by standard ASTM —water content, pour point, calorific value, viscosity, ash, sulfur, density, pH and solids content—, the bio-oil to assess its quality as a fuel. Bio-oils obtained by pyrolysis of the EFB and bagasse exhibit characteristics similar to those of forest raw an acceptable calorific (11 to 21.31 MJ/kg), low sulfur (from 0.0631 to 0.0772% w/w) but have high water content (30 and 61.54% v/v), ash (0.5135, 0.1003% w/w) and solid (0.6669 to 1.3891% w/w) as for its use must be pretreated to reduce the water content and solids and improve its viscosity. The bio-oils obtained in the EFB co-pyrolysis and bagasse show water contents between 30 to 65% v/v, the calorific value is below 1 MJ/kg. Co-pyrolysis originates more water than of the pyrolysis of the pure compounds. This reduces the quality of the product making it not applicable as fuel. The chemical composition of the bio-oil was investigated using spectroscopic analytical technique of Fourier Transform Infrared (FTIR). All FTIR spectra obtained are similar. The qualitative identification records the presence of oxygenates, aromatics and alkanes. The hexadecane component that is typical of diesel-2 and iso-octane gasoline is typical present in all spectra. It was done the proximate analysis and the determination of the higher heating value (HHV) of char. HHV varies between 23.894 to 28.356 MJ/kg which makes it suitable for use as fuel.