tesis - termobalanza

PIROLISIS EN TERMOBALANZA DE RESIDUOSAGROINDUSTRIALES COLOMBIANOS

Marco Alejandro Rojas GarciaNilson Jose Ramos Orozco

Tesis presentada como requisito parcial para optar al tıtulo de:Ingeniero Mecanico

Director(a):Ing. Sonia Lucıa Rincon Pratt

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIAFacultad de Ingenierıa

Departamento de ingenierıa Mecanica y MecatronicaBogota, D.C., Colombia

2008

Agradecimientos

Los autores quieren expresar su profundo agradecimiento a la Ing. SoniaRincon P. por la ensenanza, apoyo y amistad, y a todas las personas que nosapoyaron durante el desarrollo de este Trabajo de Gr.

3

Resumen

Teniendo en cuenta las diferentes problemaicas mundiales a nivel energetico,se hace necesario implementar tecnologıas que permitan desarrollar nuevasfuentes de energıa limpia. El proceso de pirolisis es uno de los procesos ter-moquımicos que mas se ajusta a las caracterısticas de la biomasa generadaa partir de actividad agroindustrial colombiana y se perfida como una al-ternativa realista a la problematica energetica y ambientalista actual. Estetrabajo se centra en el estudio de la cinetica de reaccion la pirolisis a partirdel analisis termogravimetrico del proceso. El elemento usado para hacer estetipo de analisis es una termobalanza, la cual se representa el producto finalde este trabajo de grado.

Palabras clave: Pirolisis, Termobalanza, Velocidad de Reaccion Adquisi-cion de datos, Biomasa, Termogravimetria, Residuos, Colombia)

INDICE GENERAL

Agradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.. Planteamiento del Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.1. El problema energetico mundial y el uso de combustibles fosiles 162.2. Produccion energetica total en contraste con el uso de biomasa

como fuente energetica en Colombia . . . . . . . . . . . . . . . 202.3. El Sector Agroindustrial en Colombia . . . . . . . . . . . . . . 242.4. Zonas No Interconectadas del Territorio Nacional . . . . . . . 26

3.. Biomasa y Procesos Termoquımicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.1. Definicion de Biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.2. Ciclo de Carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3. Origen y Clasificacion de la Biomasa . . . . . . . . . . . . . . 33

3.3.1. Madera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.3.2. Cultivos Energeticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.3.3. Residuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.3.4. Desechos Municipales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.4. Posibilidades de Uso de la Biomasa . . . . . . . . . . . . . . . 373.4.1. Biocombustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.4.2. Generacion de Calor y Vapor . . . . . . . . . . . . . . 393.4.3. Gas Combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.5. Razones para pensar en el uso de Biomasa como fuente en-ergetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.6. Propiedades de la Biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.6.1. Contenido de Humedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.6.2. Poder Calorıfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Indice general 5

3.6.3. Porcentaje de Carbon Fijo y Material Volatil . . . . . . 443.6.4. Contenido de Residuos-Cenizas . . . . . . . . . . . . . 443.6.5. Contenido de Metales Alcalinos . . . . . . . . . . . . . 443.6.6. Proporcion de Celulosa-Lignina . . . . . . . . . . . . . 443.6.7. Analisis Elemental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.7. Procesos de Transformacion Energetica de la Biomasa . . . . . 453.7.1. Procesos de Conversion Termoquımica . . . . . . . . . 453.7.2. Procesos de Conversion Bioquımica . . . . . . . . . . . 523.7.3. Proceso de Conversion Fısico-Quımico . . . . . . . . . 53

3.8. Biomasa en Colombia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.8.1. Cultivos Energeticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.8.2. Desventajas del uso de biomasa . . . . . . . . . . . . . 58

4.. Pirolisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.1. Generacion de productos y subproductos durante el proceso

de Pirolisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.2. Variables que influyen en el Proceso de Pirolisis . . . . . . . . 61

4.2.1. Composicion de la Biomasa . . . . . . . . . . . . . . . 624.2.2. Tamano de Grano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.2.3. Altura del lecho del material . . . . . . . . . . . . . . . 644.2.4. Velocidad de calentamiento . . . . . . . . . . . . . . . 654.2.5. Temperatura final del proceso . . . . . . . . . . . . . . 654.2.6. Atmosfera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.3. Esquema de Calentamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.4. Variaciones en el Proceso de Pirolisis . . . . . . . . . . . . . . 68

4.4.1. Pirolisis Lenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.4.2. Pirolisis Rapida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.4.3. Pirolisis “Flash” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.4.4. Pirolisis Catalıtica de Biomasa . . . . . . . . . . . . . . 69

4.5. Composicion y Aplicacion de los productos resultados del pro-ceso de pirolisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.5.1. Productos Lıquidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.5.2. Instalaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.5.3. Productos Solidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.5.4. Productos Gaseosos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.6. Procesos que Conllevan a un Estudio de Termogravimetrıa(TGA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Indice general 6

5.. Cinetica de Reaccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.1. Velocidad de reaccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.1.1. Parametros Cineticos y Ecuacion de Arrhenius . . . . . 745.1.2. Concentracion de reactivos . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.2. Mecanismos de Reaccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765.2.1. Mecanismo de Reaccion Simple . . . . . . . . . . . . . 775.2.2. Mecanismo de 3 reacciones paralelas independientes . . 785.2.3. Mecanismo de reacciones paralelas competitivas . . . . 795.2.4. Mecanismo de reacciones paralelas infinitas . . . . . . . 805.2.5. Mecanismos de multiples fases o Mecanismos Complejos. 80

6.. Obtencion de Parametros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 836.1. Calculo de Parametros Cineticos . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

6.1.1. Obtencion de parametros. . . . . . . . . . . . . . . . . 85

7.. Manual de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 927.1. Descripcion del equipo y sus componentes . . . . . . . . . . . 92

7.1.1. Suministro de Nitrogeno . . . . . . . . . . . . . . . . . 937.1.2. Balanza Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 967.1.3. Horno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 987.1.4. Reactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1047.1.5. Termoelemento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1057.1.6. Sistema de adquisicion de datos . . . . . . . . . . . . . 1067.1.7. Enfriador y extractor de gases. . . . . . . . . . . . . . . 1077.1.8. Gancho de sujecion del crisol pequeno . . . . . . . . . . 107

7.2. Ensamble del equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1077.3. Puesta en marcha del equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

8.. Analisis de Resultados experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . 1168.1. Descripcion de las Materia primas . . . . . . . . . . . . . . . . 116

8.1.1. Cascarilla de Arroz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1168.1.2. Cascarilla de cafe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1178.1.3. Madera de SAJO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

8.2. Pruebas de Caracterizacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1198.2.1. Contenido de Humedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1198.2.2. Contenido de Ceniza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1198.2.3. Contenido de Materia Volatil . . . . . . . . . . . . . . 1208.2.4. Poder Calorıfico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

Indice general 7

8.3. Experimentos Realizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1218.3.1. Cascarilla de Arroz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1218.3.2. Cascarilla de Cafe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1238.3.3. Madera de Sajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1248.3.4. Parametros Cineticos Obtenidos . . . . . . . . . . . . . 124

9.. Conclusiones y Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Apendice 131

A.. Anexo: Protocolos de Medicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

B.. Anexo: Dimensionamiento Reactor-TERMOBALANZA . . . . . . . 136

C.. Anexo: Informe - Sistema de Adquisicion de Datos . . . . . . . . . 137

INDICE DE FIGURAS

2.1. Demanda de Energıa Primaria en el Mundo . . . . . . . . . . 182.2. Incremento en la Demanda de Energıa Primaria en el Mundo

por Combustibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.3. Costes Marginales de Reduccion de las Emisiones para el Sis-

tema Energetico Global 2050 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.4. Evolucion Mensual de los Principales Embalses del paıs . . . . 212.5. Aporte Hıdrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.6. Generacion de Energıa Electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.7. Generacion de Energıa Electrica en Colombia . . . . . . . . . 232.8. Uso Potencial de Energıa Primaria Procedente de Recursos

Renovables (Mtoe) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.9. Emisiones por generacion de electricidad con diesel y combustoleo . 29

3.1. Aprovechamiento energetico de la biomasa. . . . . . . . 323.2. Ejemplos de algunos recursos procedentes de Biomasa . . . . . 343.3. Origen y produccion de la biomasa . . . . . . . . . . . . . . . 353.4. Formas de aprovechamiento de la Biomasa . . . . . . . . . . . 363.5. Procesos Termoquımicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.6. Proceso de Gasificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.7. Proceso de Pirolisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.8. Proceso Bio-Quımicos de conversion de biomasa . . . . . . . . 523.9. Biomasa en Colombia[39]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.10. Relacion porcentual de los tipos de vertederos usados

en Colombia[39]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.1. Diferentes productos, primarios y secundarios a partirdel proceso de pirolisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.2. Variables que influyen en el proceso de Pirolisis . . . . . . . . 624.3. Pirolisis lenta y rapida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Indice de figuras 9

4.4. Esquema de Calentamiento del Proceso de Pirolisis y Gasifi-cacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

5.1. Velocidad de reaccion y la temperatura[43] . . . . . . . 745.2. Grafica ln(k) Vs 1

T[43] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5.3. Mecanismo de Reaccion Simple[21] . . . . . . . . . . . . 775.4. Mecanismo de reacciones paralelas independientes[21] 785.5. Mecanismo de reacciones paralelas competitivas[21] . 795.6. Representacion esquematica de un mecanismo de reac-

ciones paralelas competitivas [21] . . . . . . . . . . . . . 805.7. Representacion esquematica de un mecanismo de reac-

ciones paralelas infinitas[21] . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.8. Representacion esquematica del mecanismo propuesto

por Bradbury[50] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.9. Representacion esquematica del mecanismo propuesto

por Piskorz[50] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

6.1. Comportamiento tıpico de las graficas de wBN,0 y dedwBN,0

dt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

6.2. Comparacion del resultado obtenido al resolver la ecuaciondiferencial mencionada para la tercera reaccion y lacurva medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

6.3. Resultado obtenido al resolver la ecuacion diferencialmencionada para la segunda reaccion . . . . . . . . . . . 89

6.4. Comparacion del resultado obtenido al resolver la ecuaciondiferencial mencionada para la primera reaccion y lacurva medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

6.5. Comparacion del resultado obtenido al resolver la ecuaciondiferencial mencionada para la primera reaccion y lacurva medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

7.1. Distribucion espacial del equipo. . . . . . . . . . . . . . 937.2. Horno y Sistema Reactor-Crisoles . . . . . . . . . . . . . 947.3. Valvula reguladora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 957.4. Rotametro para el suministro de nitrogeno. . . . . . . 957.5. Balanza Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 967.6. Verificacion del nivel de la balanza[51]. . . . . . . . . . 977.7. Tablero de control horno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Indice de figuras 10

7.8. Control de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1007.9. Programacion perfil No.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1017.10. Programacion del parametro ti. . . . . . . . . . . . . . . 1017.11. Programacion del parametro rAtE. . . . . . . . . . . . . 1037.12. Perfil de temperatura con una tasa de calentamiento

de 10K/min. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1047.13. Acople entre el termoelemento y el tubo portaprobe-

tas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1057.14. Aspecto general del panel frontal. . . . . . . . . . . . . . 1067.15. Acoples rapidos usados en los rotametros. . . . . . . . 1087.16. Cruz de centrado y conexion del reactor al suministro

de nitrogeno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1097.17. Circuito del termoelemento. . . . . . . . . . . . . . . . . 1117.18. Ubicacion del Gancho de Sujecion para el estado de

NO funcionamiento de la Termobalanza. . . . . . . . . 1127.19. Administrador de dispositivos. . . . . . . . . . . . . . . . 1137.20. Puerto de conexion, panel frontal. . . . . . . . . . . . . 1147.21. Thermocouple Setup, Diagrama de bloques. . . . . . . 115

8.1. Resultados medidos para la pirolisis de cascarilla dearroz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

8.2. Velocidad de reaccion calculada y medida para el pro-ceso de pirolisis de cascarilla de arroz . . . . . . . . . . 124

8.3. Resultados medidos para la Cascarilla de Cafe . . . . . 1258.4. Velocidad de reaccion calculada y medida para la piroli-

sis de cascarilla de cafe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1268.5. Velocidad de reaccion calculada y medida para la piroli-

sis de Madera de SAJO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

INDICE DE CUADROS

2.1. Demanda de Energıa Primaria Mundial(Mtoe*) . . . . . . . . 172.2. Capacidad Efectiva de Generacion de Energıa Electrica en

Colombia - MW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3. Origen de desechos en Colombia[39] . . . . . . . . . . . . . . . 252.4. Distribucion de la Poblacion en ZNI . . . . . . . . . . . . . . . 272.5. Emisiones de Gases de Efecto Invernadero para ZNI (2000) . . 28

3.1. Poder Calorıfico de algunos tipos de biomasa . . . . . . . . . . 373.2. Tipo, produccion y aprovechamiento de estiercol[39] . . . . . . 383.3. Importancia de la biomasa en diferentes regiones del mundo . 403.4. Analisis Proximo de algunos tipos de Biomasa . . . . . . . . . 423.5. Analisis Elemental o Ultimo de algunos tipos de Biomasa . . . 453.6. Principales recursos de biomasa usados en la combustıon directa[1] 493.7. Valores del poder calorıfico de los combustibles obtenidos por

medio de la pirolisis [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.8. Condiciones del proceso de pirolisis para la obtencion de un

tipo determinado de combustible . . . . . . . . . . . . . . . . 513.9. Biodiesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.10. Alcohol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.11. Aprovechamiento energetico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.12. Generacion de desechos per capita en las principales ciudades

de Colombia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.1. Rangos de descomposicion de biomasa[41] . . . . . . . . . . . 664.2. Diferentes tipos de pirolisis y sus variables de proceso[42] . . . 674.3. Instalaciones en el proceso de de carbonizacion[42] . . . . . . . 71

6.1. Parametros Cineticos Obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

8.1. Tamanos de partıcula para los tipos de biomasa con los quese trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Indice de cuadros 12

8.2. Contenido de Humedad para los tipos de biomasa con los quese trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

8.3. Contenido de Ceniza (A) para los tipos de biomasa con losque se trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

8.4. Contenido de Materia Volatil (F) para los tipos de biomasacon los que se trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

8.5. Contenido de Humedad para los tipos de biomasa con los quese trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

8.6. Parametros de reaccion para la pirolisis de Cascarilla de Arroz 1238.7. Parametros de reaccion para la pirolisis de Cascarilla de Cafe . 1238.8. Parametros de reaccion para la pirolisis de Madera de Sajo . . 125

1. INTRODUCCION

Las reservas de combustibles fosiles son finitas y su utilizacion para lageneracion de energıa ha contribuido al aumento de emisiones gaseosas quetienen un impacto negativo en el medio ambiente y pueden incentivar elcalentamiento de la atmosfera terrestre. Estos problemas han motivado laslabores de investigacion y desarrollo de procesos de produccion y transforma-cion de nuevas fuentes energeticas, que permitan suplir la creciente y elevadademanda de energıa en el mundo. La utilizacion de tecnologıas energeticasrenovables como la eolica, la geotermica, la hidraulica, la solar y la obtenidaa partir de la biomasa se presentan como alternativas en el mediano y largoplazo para el reemplazo de los combustibles fosiles.La biomasa, que representa toda la materia que se puede derivar directa oindirectamente de la fotosintesis de las plantas, para fines energeticos puedeprovenir de fuentes como las cosechas de plantaciones perennes, las herbaceasde cosecha anual, las gramıneas y las oleaginosas, entre otras. Tambien se ob-tiene de los residuos de la agricultura, de la industria procesadora de alimen-tos, de la industria manufacturera de productos de madera y de los residuossolidos de fuente industrial y municipal. El uso de la biomasa como fuentede energıa permite disminuir la emision de gases contaminantes como el CO2

y el metano, por otro lado, la biomasa residual con fines energeticos traeotros beneficios como la disposicion ambiental adecuada que se le puede dara residuos solidos indeseados en el entorno.Los procesos de transformacion de la biomasa se agrupan en tres grandes gru-pos: los bioquımicos por accion microbiologica, los termoquımicos, a travesde tratamientos termicos, y los fısico-quımicos.El presente trabajo se centra en los procesos de transformacion termoquımicade la biomasa, dichos procesos estan basados en la reaccion quımica y descom-posicion molecular resultante en la biomasa al someterla a altas temperaturasy atmosferas de reaccion y que representan unos de los principales mediosde conversion de energıa renovable procedente de residuos en la agroindus-tria en Colombia. Las tecnicas de aprovechamiento de estos residuos se han

1. Introduccion 14

venido desarrollando como una opcion importante en terminos de satisfacerlas necesidades energeticas mundiales. Dicho tipo de transformacion es a lavez una forma importante de valerse de residuos agroindustriales generadosen el paıs convirtiendolos en un recurso aprovechable.Ya sea por combustion directa, procesos de pirolisis, gasificacion o licuefac-cion es posible liberar la energıa procedente de residuos como la cascarillade cafe, el cuesco de palma de aceite y la cascarilla de arroz entre muchosotros residuos agroindustriales con alto potencial de aprovechamiento. Ası en-tonces, es posible su transformacion en productos combustibles solidos, lıqui-dos o gaseosos de adecuada capacidad calorıfica, facil manejo y distribucion.La pirolisis es un proceso de descomposicion termica de la biomasa por ac-cion de la temperatura en ausencia de oxıgeno. Un efectivo control de susparametros conllevan a la generacion eficiente de productos solidos, lıquidos ygases que se pueden aprovechar tanto en la industria como en el uso domesti-co de la poblacion colombiana. Variando el tipo de biomasa, la temperaturamaxima, las condiciones de la atmosfera de reaccion, la tasa de calentamientoy el tiempo de permanencia de los productos en el reactor, entre otros fac-tores, es posible influir en la distribucion y caracterısticas de los productosgenerados. El material solido o carbonizado obtenido se puede utilizar co-mo combustible en procesos industriales, en la coccion de alimentos o comomateria prima para la produccion de carbon activado. El gas producido seutiliza para la generacion de energıa mecanica y termica o puede ser sinte-tizado para la produccion de otros productos quımicos. El producto liquido,tambien identificado como condensado o bioaceite, puede ser convertido enun combustible rico en hidrocarburos para su combustion en motores diesel.La investigacion en las tecnicas de procesamiento termoquımico de la biomasase hace entonces por el interes en la solucion de tres problemas principales queaquejan a la poblacion colombiana: la incorrecta disposicion de los residuosagroindustriales, la contaminacion generada por el uso de combustibles fosiles(con las consecuencias que generan su uso) y la produccion de energıa electri-ca en zonas no interconectadas del territorio nacional. La solucion de dichosproblemas mejora las condiciones de vida de ciertas partes de la poblacioncolombiana, por medio de la utilizacion de los residuos procedentes de lamisma con procesos ambientalmente neutros en cuanto a emisiones de gasescontaminantes como el CO2 y SOx.La experimentacion a nivel de laboratorio y la creacion de modelos de com-portamiento que involucren el desarrollo de tecnologıas limpias permiten la

1. Introduccion 15

caracterizacion de ciertos residuos de la agroindustria colombiana permitien-do la generacion de modelos que llevan a un escalamiento a nivel de plantaindustrial como una alternativa de generacion energetica.En el presente trabajo de grado se realiza el montaje, puesta a punto ycalibracion de una termobalanza para determinar el comportamiento de labiomasa al someterla a pirolisis. Mediante el diseno y la realizacion de unplan de experimentacion se obtienen datos adecuados para la determinacionde la cinetica de reaccion del proceso.El presente trabajo se realiza como parte del proyecto Pirolisis en Termobal-anza de Residuos Agro-industriales Colombianos en desarrollo por el Grupode Investigacion en Biomasa y Optimizacion de Procesos Termicos (BIOT) ycuyos recursos han sido adquiridos por medio de la Convocatoria Nacional deInvestigacion 2007 en la modalidad de Apoyo a traves de proyectos a gruposde investigacion consolidados, clasificados en categorıas B y C en el SistemaNacional de Ciencia y Tecnologıa.

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

2.1. El problema energetico mundial y el uso de combustiblesfosiles

El uso intensivo y los altos niveles de extraccion de recursos fosiles com-parado con su consumo han sido problemas que han atacado desde hacevarios anos a la poblacion mundial. La produccion energetica del planetase encuentra en constante aumento y con ello, la demanda de combustiblesfosiles. Se calcula que las necesidades energeticas basicas aumentaran en un55% entre 2005 y 2030 a una tasa media anual de 1.8% como se observa enla Tabla 4.1 y en la Figura 2.1 tomadas de [1]. Consecuencias como la con-taminacion ambiental y el alto precio de dichos combustibles son el comundel diario vivir, por lo cual se hace necesario centrar el interes en la busquedade nuevas fuentes de energıa.

Los altos contenidos de contaminantes emitidos a la atmosfera por fuentesfosiles como la gasolina, el gas natural y el carbon, contribuyen a elevar lastemperaturas globales influyendo notablemente en el cambio climatico. Decontinuar las polıticas ambientales que siguen los paıses hoy en dıa se esti-ma que para el 2030, dichas fuentes de combustible constituiran el 84 % dela demanda total de energıa. La demanda alcanzara 17.7 miles de millonesde toneladas equivalentes de petroleo, frente a los 11.4 miles de millones detoneladas equivalentes de petroleo de 2005. Se preve un aumento del 70%en la demanda de petroleo para el ano 2050 y del 130% en las emisiones deCO2 [2]. De acuerdo con el Grupo Inter-gubernamental de Expertos sobre elCambio Climatico (IPCC), un aumento de tal magnitud en las emisiones deCO2 podrıa provocar un aumento de las temperaturas medias mundiales de6◦C, tal vez incluso superior [2]. La demanda solo de carbon experimentara elmayor incremento en terminos absolutos, aumentando en un 73% entre 2005y 2030. Todo esto contribuye a que las emisiones y concentraciones atmosferi-

2. Planteamiento del Problema 17

Tab. 2.1: Demanda de Energıa Primaria Mundial(Mtoe*)

1980 2000 2005 2030 2015 2005-2030**Carbon 1786 2292 2892 3988 4994 2.2%Petroleo 3106 3647 4000 4720 5585 1.3%

Gas 1237 2089 2354 3044 3948 2.1%Nuclear 186 675 721 804 854 0.7%

Hidroelectrica 147 226 251 327 416 2.0%Biomasa y Basuras 753 1041 1149 1334 1615 1.4%Otras Renovables 12 53 61 145 308 6.7%

Total 7228 10023 11429 14361 17721 1.8%* Mtoe= Million Tonnes of Oil Equivalent, se refiere a la cantidad de energıa

liberada al quemar una tonelada de combustible crudo, aprox 42 GJ.** De acuerdo al promedio de la tasa anual de crecimiento

cas de dioxido de carbono y demas gases de efecto invernadero aumenten un57% [1].

El constante aumento en los precios del petroleo que se presencia hoy en dıaes otra consecuencia de la alta demanda de dichos combustibles. En Colom-bia se encuentran aumentos bruscos en los precios desde 30.97 US por barrilen Agosto del ano 2000, 64.95 US en Agosto del 2005, hasta 117.12 US enAgosto del presente ano (2008) [3]. Todo lo anterior llevado por la gravesituacion de escasez en terminos de suministro. Dicho aumento ha hecho queel carbon se convierta en un combustible mas competitivo para la generacionbasica de energıa electrica, estimando entre el 2005 y el 2030 un aumentodel 73%, con todos los problemas de contaminacion que acarrea dicha fuentede energıa. Siguiendo las actuales polıticas energeticas se observa tambienque no hay un cambio significativo en el incremento de la demanda total deenergıa mundial procedente de biomasa y otras fuentes renovables (alrededordel 10%) tal como se observa en la Figura 2.2.Se encuentra entonces que, ademas de concienciar a la poblacion de un usoefectivo de la energıa que se les suministra, es necesario aplicar leyes urgentescon el fin de reducir la emision de gases como CO2 y SOx, tan perjudiciales


Fig. 2.1: Demanda de Energıa Primaria en el Mundo

para el medio ambiente y todos los seres vivos que lo componen. Es una pri-oridad entonces la cooperacion no solo entre los gobiernos, sino tambien todotipo de instituciones y personas con el fin de implantar nuevas formas de ob-tencion y aprovechamiento de fuentes renovables de energıa que posean menorcantidad de problemas en cuanto a obtencion, manejo y retroalimentacioncon el medio ambiente y mas especıficamente en cuanto a emision de gasesde efecto invernadero y que a la vez conlleve a una giro total en las formasde suministro y consumo de energıa en el mundo.En la figura 2.3 encontramos dos marcos de referencia sobre los costos en lareduccion de las emisiones para el sistema energetico global. Dentro de unobjetivo en el que se plantea mantener el nivel actual de emisiones de gasescontaminantes hasta el ano 2050 (Mapa ACT en la figura 2.3), se calculaque se necesitaran inversiones adicionales a las actuales por valores de 17billones de dolares, desde ahora hasta dicho ano. Lo que supone alrededorde 400000 millones de USD al ano, un equivalente aproximado al PIB de losPaıses Bajos o a un 0,4% del PIB mundial cada ano desde ahora hasta elano 2050 [2]. Mas aun, dentro de una perspectiva de reducir las emisiones degases contaminantes al 50% de las actuales para el ano 2050, lo que conlle-varıa a un freno en el calentamiento global entre 2 y 2.4 grados centıgrados(Mapa Blue en la Figura 2.3), representa un mayor problema, no solo porlos costos, sino tambien por la necesidad de progresos en tecnologıas que aunse encuentran en fase de desarrollo. Las necesidades de inversion adicionalsegun dicho escenario son aproximadamente de 45 billones de USD durante


Fig. 2.2: Incremento en la Demanda de Energıa Primaria en el Mundo por Com-bustibles

el perıodo hasta el ano 2050 [2].El termino CCS en la grafica es la tecnologıa “Carbon capture and stor-

age”(Captura y Almacenamiento de Carbono), la cual es una tecnologıa derespuesta a mitigar el calentamiento global basado en capturadores de dioxi-do carbonico (CO2) de grandes fuentes como plantas de generacion electri-ca basadas en combustibles fosiles, guardandolo en lugar de soltarlo en laatmosfera [4].Es dentro de estos escenarios en donde se encuentra la necesidad de buscarde nuevos tipos de combustibles no fosiles menos perjudiciales con el medioambiente.Viendo los precios tan altos de inversion para las dos perspectivas, se estimatambien que tanto en los escenarios ACT como en los BLUE, se considera queel ahorro en los costos de combustible no descontado para carbon, petroleoy gas durante el perıodo comprendido hasta el ano 2050 es superior a la in-version adicional que se precisa en tecnologıa [2].


Fig. 2.3: Costes Marginales de Reduccion de las Emisiones para el Sistema En-ergetico Global 2050

Figura Tomada de [2]

2.2. Produccion energetica total en contraste con el uso debiomasa como fuente energetica en Colombia

Si bien la mayor parte de la produccion de energıa en el paıs es debido auna fuente renovable importante como lo es la Hidroelectrica, la cual generaalrededor del 77 % en promedio anual de la energıa en paıs, segun datostomados para el ano 2005 [5] con una produccion de 39803 GWh contraun total de 51566 GWh para ese mismo ano, que actualmente posee unacapacidad instalada de 8525 MW con respecto a 13404,1 MW que representael total de la capacidad de generacion de energıa electrica en Colombia, talcomo se observa en la Tabla 4.2 la cual representa cerca del 63.6% del sectorsegun [6] para el ano 2008.Dicho sector nos muestra ciertas ventajas, sin embargo, inconvenientes comola variabilidad que posee este recurso en epocas de sequıa, como se observa enlas Figuras 2.4 y 2.5, lo cual conlleva a un porcentaje alto (alrededor del 33%como podemos estimar en la Figura 2.6 para el ano 2003, o del 22% para elano 2005 segun [5]) de produccion procedente de recursos fosiles, los cualescontribuyen con gases de efecto invernadero alrededor de 59.9 Mt CO2 enel ano 2005 segun [7]. Siendo la produccion total de energıa cercana a 79.46Mtoe anuales [7].


Tab. 2.2: Capacidad Efectiva de Generacion de Energıa Electrica en Colombia -MW

Cogeneradores y Autoproductores 24.5Hidraulica 8525.0Menores 556.6

Termica a Carbon 700.0Termica a Gas 3598.0

Total 13404.1

Tabla Tomada de [6]

Fig. 2.4: Evolucion Mensual de los Principales Embalses del paısFigura Tomada de [6]

Colombia es un paıs con alto potencial de generacion energetica proce-dente de energıas renovables, principalmente eolica, solar y biomasa, sin em-bargo, la produccion de energıa electrica procedente de biomasa es de solo555KWh, equivalente aproximadamente al 1% del total de la produccion co-mo se muestra en la Figura 2.7 [5].

Se puede decir que no se encuentra correctamente formuladas e implemen-tadas nuevas polıticas en materia de dichas energıas renovables. El decretoNUMERO 2328 DE 2008, donde se crea una Comision Inter-sectorial parael Manejo de Biocombustibles, o documentos como la “POLITICA GENER-AL EN MATERIA DE BIOCOMBUSTIBLES ”o leyes tan antiguas comola LEY 9 DE 1979 en la que se dictan medidas sanitarias para la protec-


Fig. 2.5: Aporte HıdricoFigura Tomada de [6]

Fig. 2.6: Generacion de Energıa ElectricaFigura Tomada de [6]

cion del medio ambiente [9], si bien representan un compromiso del gobiernocon relacion a algunas fuentes energeticas llamadas limpias, no determinanclaramente la forma en la que el gobierno estimula dichas fuentes o sancionaa entidades que no las siguen (por ejemplo La ley de 2001 disenada parapromover energıas alternas carece de disposiciones clave para lograr su pro-pio objetivo [9]), estos documentos muestran claramente el atraso en que seencuentra este paıs en materia de responsabilidades adquiridas con la con-servacion del medio ambiente incluyendo el manejo en cuanto a emisiones degases contaminantes.En cuanto a acciones que se estan tomando para afrontar el Cambio Climatico,el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial de la Republicade Colombia dentro del Instituto de Planificacion y de Soluciones Energeticas


Fig. 2.7: Generacion de Energıa Electrica en ColombiaFigura tomada de la ”IEA Energy Statistics 2005”, [8]

hizo parte de la Convencion Marco sobre Cambio Climatico, adoptada enMayo de 1992 y firmada dicho paıs en la Conferencia de las Naciones Unidassobre Medio Ambiente y Desarrollo y cuyo objetivo ultimo es estabilizar lasconcentraciones de gases de efecto invernadero en la atmosfera, y con la cualse compromete a seguir las metas establecidas por el Protocolo de Kyotoaprobado en 1977. Sin Embargo, hasta los ultimos anos se han hecho losestudios para implementar las herramientas establecidas en dicho protocolo,como lo es el Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL), que representa unmecanismo de “Compensacion ”de emisiones entre paıses desarrollados y envıa de desarrollo [11].Dentro del Plan Energetico Nacional se plantean objetivos importantes, talescomo la energizacion rural y la gestion ambiental del sector energetico. Laestrategia propuesta para la energizacion rural incluye la implantacion detecnologıas eficientes, la diversificacion de alternativas para el suministro deelectricidad, el uso de energıas alternativas y la reforestacion multi-proposito,estableciendo un manejo sostenible de los bosques, que incluya entre otrosla obtencion de biomasa con fines energeticos. El capıtulo sobre gestion am-biental energetica, establece que el sector energıa contribuye con el 27% delas emisiones de CO2 y 10 % de las de CH4. Como elementos de la estrategiade gestion ambiental se proponen entre otros, la integracion de la polıticaambiental y energetica, el apoyo a la polıtica de produccion mas limpia yla incorporacion de compromisos internacionales a la gestion ambiental en-ergetica [12]. El presente proyecto se puede enmarcar dentro de las polıticasnacionales para mitigar el Cambio Climatico fortaleciendo los vınculos entre


el sector energetico y el sector ambiental en el tema.El porcentaje de participacion termica en la generacion de energıa electricase ha incrementado desde mediados de la decada de 1990. Esto sucedio enrespuesta a la crisis de 1992/1993 ocasionada por las sequıas asociadas aEl Nino y la alta dependencia de la generacion de energıa de instalacioneshidroelectricas que carecıan de capacidad de almacenaje para multiples anos[6].La produccion de energıa electrica, aceites combustibles y gases con adecua-da capacidad calorica procedentes de procesos de pirolisis de la biomasa havenido adquiriendo con los anos importantes adeptos debido a que es una tec-nologıa ambientalmente neutra respecto a emisiones de contaminantes (comoCO2 y SOx) y a su posibilidad de utilizacion en cualquier parte del territo-rio colombiano como en zonas no conectadas con la red electrica nacional ypuede contribuir a mejorar las condiciones de vida de los habitantes.En cuanto a energıa procedente de fuentes renovables y excluyendo al sectorhidraulico, Colombia tiene un potencial de 28.1 MW instalado, provenienteprincipalmente de energıa eolica [10]. El uso potencial de la biomasa comofuente energetica en Colombia procedente de residuos agroindustriales, ba-suras y otros combustibles renovables es alto, tal como se puede observar enla, sin embargo, el potencial instalado estimado esta por encima de 16 GWh,que representa menos del 0.1% de la produccion energetica total [10]. Dichopotencial de uso esta limitado, entre otras cosas, por el escaso conocimien-to, caracterizacion y definicion de dichos residuos lo que limita a su vez unposible escalamiento a nivel de planta industrial.

2.3. El Sector Agroindustrial en Colombia

El sector agroindustrial se posiciona como el mas importante de la In-dustria Manufacturera Colombiana con una produccion bruta de US 9.500millones en el 2007. Esta cifra representa aproximadamente el 31% del totalde la produccion bruta total, seguido de lejos por la fabricacion de sustanciasy productos quımicos que representa el 14 (por ciento)del total de la produc-cion industrial. Ası mismo este sector representa el 10.2% del total del PIBnacional y genera 110.000 empleos directos [19].

Proporcional al tamano del sector agroindustrial Colombiano, son los


Fig. 2.8: Uso Potencial de Energıa Primaria Procedente de Recursos Renovables(Mtoe)

Figura tomada de la ”IEA Energy Statistics 2005”, [8]

desechos que este genera, los cuales representan el 11% del total producidoen el paıs, superado por los desechos domesticos, industriales y de construc-cion y demolicion. En la Tabla 2.3 se muestran los orıgenes y porcentajes delos desechos producidos en Colombia.

Tab. 2.3: Origen de desechos en Colombia[39]Origen PorcentajeDomestico 37.8Industrial 16.6Construccion y demolicion 14.0Actividad Agrıcola 11.0Servicios municipales 9.5Zonas de Plantas de Tratamientos 6.0Comercial 5.0Institucional 0.1Total 100

Dentro de los desechos mas comunes generados se encuentra la cascarillade arroz y de cafe, bagazo de la canna de azucar, pulpa de frutas y vegetales.Aunque se hace necesario reciclar un porcentaje de la biomasa vegetal paraproteger el suelo de la erosion y mantener el nivel de nutrientes organicos,una cantidad importante de esta biomasa, que es catalogada como desecho,


puede ser recolectada para la produccion de energıa.Por otro lado, aunque no se contempla en la tabla 2.3, se sabe que tan

solo el 20% de un arbol extraıdo para la produccion de madera es aprovecha-do comercialmente, se estima que un 40% es dejado en el campo (raıces yramas) y el 40 (por ciento) restante en el proceso de aserrio en forma deastillas y aserrın [3]. Estos desechos representan una gran fuente de energıaen forma de biomasa.

Si los desechos generados por la actividad agrıcola logran ser procesados,se evitara al medio ambiente, la tarea de procesar 3.168 1toneladas diariasde desechos.

Al utilizar los residuos agroindustriales y los provenientes de los aser-raderos, como fuente de energıa, se lograra beneficiar a la sociedad colom-biana en dos aspectos muy importantes.

Uno de ellos sera disminuir el impacto ambiental negativo que se generaal no realizarse un manejo adecuado de las residuos de la actividad agrıcola,por otro lado, se espera que en el futuro se instalen plantas generadoras deenergıa en las zonas no interconectadas del pais, las cuales funcionen princi-palmente a partir de los residuos anteriormente mencionados.

2.4. Zonas No Interconectadas del Territorio Nacional

Otro problema importante que aqueja a la poblacion colombiana es eltema relacionado con el acceso a la energıa electrica. Las Zonas No Inter-conectadas (ZNI) comprenden aquellos territorios que por diferentes razones,no son atendidos por el Sistema Interconectado Nacional. Comprende unterritorio de extension de 756.531 km2 (64,5 % del territorio nacional) y supoblacion asciende a 1‘524.304 habitantes [13]. La densidad de poblacionen ZNI es menor al promedio nacional, con una poblacion en areas ruralessignificativa tal como se muestra en la Tabla 2.4.

Los usos de la energıa en ZNI son basicos: coccion de alimentos, ilumi-nacion, refrigeracion y comunicaciones; con una muy baja participacion delos sectores industriales y comerciales en el consumo final. Las fuentes deenergıa mas utilizadas son la energıa electrica (61%), kerosene (26.7%), lena

1 La produccion de basura para todo el paıs es de 28.800 toneladas al dıa [39], por lotanto el valor correspondiente al porcentaje de la Actividad Agrıcola es 3,168 toneladas.


Tab. 2.4: Distribucion de la Poblacion en ZNI

Tipo de Localidad Numero Poblacion

Capitales Departamentales 5 48.589Cabeceras Municipales 46 142.054Corregimientos Municipales 163 71.883Corregimientos Departamentales 16 10.946Inspecciones de Policıa Municipales 93 42.222Inspecciones de Policıa Departamentales 115 55.095Caserıos, Comunidades Indıgenas, Sitios, etc. 526 156.931

Areas Rurales - 996.584

Total 959 1‘524.304

(6%) y otros como el GLP (Gas Licuado de petroleo), carbon, gasolina, pi-las, baterıas y velas. El suministro de energıa electrica depende fundamental-mente de los combustibles fosiles (diesel y combustoleo) utilizados en plantaselectro-generadoras, ademas de algunas pequenas centrales hidroelectricas ysistemas fotovoltaicos. Existen alrededor de 1070 electro-generadores en ZNI,con una capacidad nominal total de cerca de 120 MW, distribuidos en masde 940 localidades. La mayorıa de las plantas (72%) tienen una capacidadnominal menor a 60 kW. El numero de horas diarias de servicio oscila entre4 horas para las localidades menores y 24 para el caso de Leticia. Los prob-lemas financieros, tecnicos y administrativos tiene como efecto un nivel deservicio deficiente y un numero significativo de equipos fuera de servicio [13].

Se calcula que las emisiones de Gases de Efecto invernadero (GEI) enZNI a causa del suministro de energıa para el ano 2000, las emisiones porsuministro de energıa en ZNI son de 116.983 toneladas de CO2, de las cuales,98.702 toneladas correspondieron al empleo de diesel para la generacion deenergıa electrica [13], se puede observar en la Figura 2.9 que Amazonas es eldepartamento que mas emite GEI en Colombia. Para los habitantes de dichaszonas, en general dedicados a la actividad agrıcola, los desechos generadospor esta actividad pueden ser usados para la generacion de energıa en estaszonas, teniendo ası un ciclo que resulta ser auto sostenible.

En la actualidad colombiana, los procesos de transformacion termoquımi-


Tab. 2.5: Emisiones de Gases de Efecto Invernadero para ZNI (2000)

Amazonia Orinoquıa Pacıfico Atlantico Total ZNI

Diesel 62.403 15.414 20.885 0 98.702GLP 1.319 1.121 1.025 67 3.531Lena 2.759 229 10.512 728 14.228Petroleo 99 1 210 20 330Carbon Vegetal 138 0 54 0 192

Total 116.983

Cifras en t CO2 eq/ano

ca de residuos, constituye una alternativa innovadora a la simple combustionde estos. Dentro de los procesos de transformacion termoquımica se tiene lapirolisis, gasificacion y la licuefaccion, siendo la pirolisis un proceso base paralos demas procesos de este tipo.

Para poder llevar a cabo este proceso a nivel industrial, se debe carac-terizar el proceso, po lo que hace necesaria la construccion, calibracion ypuesta punto de una Termobalanza para el procesamiento de biomasa, sien-do esta la herramienta principal. Se deben disenar y llevar a cabo un plan deexperimentacion para cada uno de los tipos de biomasa que se trabajaran,cascarilla de cafe y arroz, cuesco de palma y algun tipo de madera que resultecomo desperdicio de algun proceso realizado en un aserradero. Finalmentea partir de los datos obtenidos y aplicando el modelo existente, se debendeterminar los parametros cineticos de la reaccion, para ası poder modelarcorrectamente el comportamiento del proceso.


Fig. 2.9: Emisiones por generacion de electricidad con diesel y combustoleoFigura tomada de [13]

3. BIOMASA Y PROCESOS TERMOQUIMICOS

Con el objetivo de evaluar el impacto que generarıa el uso de residuosagroindustriales en la generacion de energıa se describiran aspectos como suorigen, aplicaciones, metodos de extraccion de energıa, caracterizacion, ciclodel carbono, impactos ambiental y finalmente algunas estadısticas de en lasque relaciona la generacion y uso de biomasa en Colombia.

3.1. Definicion de Biomasa

Se conoce como Biomasa a toda masa de materia organica, no fosil, deorigen biologico que se puede encontrar en la superficie terrestre. Las plantasproducen continuamente biomasa mediante el proceso de fotosıntesis, dichoproceso convierte menos del 1 % de la luz del sol disponible [18]. En dichoproceso, dioxido de carbono es capturado y convertido en materia vegetalprincipalmente en forma de celulosa, hemi-celulosa y lignina. La energıa solares entonces aprovechada por las plantas verdes mediante reacciones quımicasen las celulas, las que toman CO2 del aire y lo transforman en sustanciasorganicas, segun una reaccion del tipo: CO2 + H2O (H-COH) + O2 En estosprocesos de conversion la energıa solar se transforma en energıa quımica quese acumula en diferentes compuestos organicos (polisacaridos, grasas) y quees incorporada y transformada por el reino animal, incluyendo al ser humano,el cual invierte la transformacion para obtener bienes de consumo [17].El valor de un tipo especıfico de biomasa depende de las propiedades fısicasy quımicas de las moleculas de las cuales esta compuesta. A lo largo de losmilenios, el hombre ha explotado la energıa almacenada en los enlaces quımi-cos de dichas moleculas mediante la quema de biomasa como combustible outilizandola como fuente de alimento debido al contenido nutricional queesta posee. recientemente, la biomasa fosilizada ha sido explotada en formade carbon o combustibles. Sin embargo, puesto que toma millones de anospara convertir biomasa en combustibles fosiles, este no representa una fuente

3. Biomasa y Procesos Termoquımicos 31

renovable de energıa [18].El termino “Biomasa ”converge entonces todo un rango de materia organicaproducida por las plantas y animales que se alimentan de ellas [14]. Labiomasa ha sido siempre la principal fuente para la produccion de energıa yse estima que actualmente contribuye entre el 10 y el 14% de la oferta deenergıa mundial [18].Generalmente despues que la biomasa ha sido procesada, se generan residuos,los cuales en el contexto que se generaron no tienen ningun valor comercial.Desafortunadamente gran parte de esta fuente potencial de energıa no es us-ada, afectando en forma negativa la region donde se generan.

Cuando la biomasa no es utilizada como fuente de energıa, generalmentese espera a que esta se descomponga naturalmente. En este proceso se pro-duce una mezcla de mas del 50% de CH4, mientras que cuando se tiene unproceso termoquımico se produce entre un 5 y 10%. Se sabe que el metanoel CH4 es un gas de efecto invernadero mas nocivo que el CO2, por lo tantola produccion de energıa a partir de desechos organicos reducira en formasignificativa la produccion de este tipo de gases y los problemas relacionadoscon el manejo de estos residuos.

La energıa neta disponible en la biomasa por combustion es de alrededorde 8MJ/kg para la madera verde, 20MJ/kg para la materia vegetal seca enhorno, 55MJ/kg para el metano; en comparacion con cerca de 23 a 30MJ/kgpara el carbon. La eficiencia del proceso de la conversion se determina cuantola energıa real puede ser utilizada en forma practica [22].

En la figura 3.1 se muestra un esquema donde se describe el aprovechamien-to energetico que se le da a la biomasa, relacionandolo con el ciclo del carbono.

3.2. Ciclo de Carbono

La biomasa hace parte del “Ciclo del Carbono ”, en el cual el Carbonode la atmosfera es convertido en materia organica por medio del proceso deFotosintesis, al descomponerse esta materia, el carbono que la conformaba,regresara a la atmosfera en forma de CO2.

Este proceso puede acelerarse por medio de la combustion o cualquier tipode transformacion termoquımica o bioquımica. Cabe anotar que el carbon enla biomasa representa aproximadamente un 50% de su peso [23].


Fig. 3.1: Aprovechamiento energetico de la biomasa.

El uso de biomasa como fuente de energıa, puede contribuir al calen-tamiento global en el momento que el ciclo natural del carbono sea pertur-bado para obtener este tipo de materiales. Generalmente la tala de arboles yla renovacion deficiente de cultivos, son los principales factores que afectanel ciclo del carbono.

Sin embargo, cuando los procesos de obtencion de biomasa son controla-dos, es correcto afirmar que es una fuente de energıa “neutra ”, ya que no seesta introduciendo a la atmosfera CO2, a diferencia de lo que sucede cuandose usan los combustible fosiles.

Los combustible fosiles, son el resultado de la mezcla de materia organicay barro que fue enterrada bajo pesadas capaz de sedimentos. Esto, sumadoa los altos niveles de calor y presion se generaron cambios quımicos y fısicosen esta mezcla, dando origen a los hidrocarburos. Al usar este tipo de com-bustibles, se esta liberando una cantidad de carbono que estada aislada de laatmosfera, es por esto que su uso esta relacionado a una serie de problemasambientales, entre otros, la alteracion del ciclo de carbono.

En EUA. la generacion de energıa a partir de la biomasa tiene una par-ticipacion de 1, 700MW lo cual representa un 0,5% de los requerimientos


energeticos de este pais. Con este volumen de produccion de energıa a par-tir de la biomasa, se estan dejando de emitir aproximadamente 11 millonesde toneladas por ano de CO2 provenientes del uso de combustibles fosiles.Ademas impide la introduccion de 2 millones de toneladas de CH4 prove-nientes de la descomposicion de la materia organica no usada. Las emisionesde CH4 que se evitan gracias a la produccion de energıa a partir de labiomasa, tienen un impacto 20 veces mayor a los causados por la edicionesde CO2 evitadas [24].

3.3. Origen y Clasificacion de la Biomasa

Los recursos procedentes de biomasa se pueden dividir en dos grandescategorıas; Naturales y de Materiales Derivados. Estos incluyen, madera ydesechos de esta, cultivos agrıcolas y desechos agroindustriales, desperdiciossolidos, animales y de comidas, plantas acuaticas y algas. Dichos recursospueden ser subdivididos en tres categorıas [15]:

Residuos: Residuos Agroindustriales (por cosecha, produccion o proce-samiento), residuos de fabricas, residuos organicos.

Residuos Forestales: Madera, residuos de lenas, arboles, residuos dearbustos y maderas.

Cultivos de Energıa: Cultivos rotacionales de madera, cultivos herbaceos,hierbas, feculas (como las de maız, trigo y cebada), cultivos de azucar(Cana y Remolacha), cultivos de semillas de aceite (como Granos deSoya y de palma de aceite)

Dichos tipos de biomasa, de los cuales algunos se pueden observar en la Figu-ra 3.2, son el resultado del proceso de transformacion que sufre la materiaorganica de origen animal o vegetal (ver figura 3.3). Por medio de este proce-so, que puede hacerse en forma natural o artificial, se generan subproductosque no tienen valor para la cadena nutritiva o no sirven para la fabricacion deproductos del mercado, pero pueden utilizarse como combustibles [16] y enconsecuencia, bio-energıa util para el ser humano, dichas formas de biomasase pueden observar en la figura 3.4. La biomasa tradicional, se usa principal-mente como combustible en forma directa, tal como la madera o el estiercolseco. Ha sido utilizada desde siempre para cocinar alimentos y calefaccion,es utilizada actualmente por alrededor de una tercera parte de la poblacion


mundial. Este recurso es usualmente agrupado, almacenado y usado en vezde ser vendido comercialmente (a excepcion de la madera y el carbon demadera) [14].

Fig. 3.2: Ejemplos de algunos recursos procedentes de BiomasaFigura tomada de [14]

La biomasa es un recurso energetico atractivo por varias razones, es unrecurso renovable en la medida que se maneje apropiadamente la vegetacion,esta mejor distribuida en la superficie de la Tierra y ofrece la oportunidadde autosuficiencia energetica local, regional y nacional en todo el mundo. Nopresenta el impacto ambiental negativo asociado con las energıas no renov-ables [17].En muchas ocasiones, la biomasa se elimina por ser molesta para la insta-lacion que la produce o porque entorpece las labores agrarias o ganaderasque la generan. Cuando esto ocurre, se esta desperdiciando una fuente deenergıa importante, basta recordar, considerando que por termino medio un


Fig. 3.3: Origen y produccion de la biomasaFigura tomada de [16]

kilogramo de biomasa permite obtener 3.500 kcal y que un litro de gasolinatiene aproximadamente 10.000 kcal, por cada tres kilogramos que desperdi-ciamos de biomasa, se desaprovecha el equivalente a un litro de gasolina.Habitualmente, el contenido energetico de la biomasa se mide en funcion delpoder calorıfico del recurso, aunque para algunos de ellos, como es el caso dela biomasa residual humeda o de los biocarburantes, se determina en funciondel poder calorıfico del producto energetico obtenido en su tratamiento. Latabla 3.1 muestra el poder calorıfico superior y el poder calorıfico inferior adistintos contenidos de humedad de algunos de los recursos de biomasa mashabituales.

La biomasa tambien puede ser clasificada teniendo en cuenta su origen:

3.3.1. Madera

Como se sabe, la madera es el biocombustibles mas antiguo, puede serextraıda de las selvas por medio de la simple tala. Para hacer de esta unafuente sostenible de biomasa se deben reforestar las zonas de donde se haextraıdo este recurso.

3.3.2. Cultivos Energeticos

Son cultivos que crecen con el unico objetivo de producir biomasa y porlo tanto son continuamente resembrados una vez cosechados. Arboles comoel Alamo, Eucalipto, Sauce, conıferas y plantas pequenas como la cana deazucar y el sorgo hacen parte de este tipo de cultivos. Estos cultivos en China


Fig. 3.4: Formas de aprovechamiento de la BiomasaFigura tomada de [16]

tiene el potencial de producir 105 Mtoe1 al ano[1].

3.3.3. Residuos

Estos generalmente se clasifican en secos con un 15% de humedad yhumedos. Estan conformados por desechos de la industria agrıcola, del proce-samiento de madera, ası como de la crianza de animales son ejemplos debiomasa residual. En China los desechos agroindustriales y el estiercol gener-ado por la crianza del ganado, pueden teoricamente contribuir con 80 billonesde metros cubicos de biogas por ano[1]. En la tabla 3.2 se muestra una clasifi-cacion de las clases de estiercol, su nivel de generacion y su aprovechamientoenergetico.

3.3.4. Desechos Municipales

Los desechos municipales contienen una gran cantidad de biomasa y suuso como recurso energetico, puede transformar esta sustancia, que genera unimpacto negativo, en productos que pueden ser vendidos. Esto por lo tantopromover’a el uso de una fuente renovable de energıa, la cual a su vez ayu-dara a disminuir la cantidad de basura que se llevada a los rellenos sanitarios.Los desechos municipales en Estados Unidos de America, estan compuestos

1 Million Tons of Oil Equivalent, es una unidad de que representa la energıa que selibera durante la combustion de una tonelada de crudo. 1Mtoe = 42GJ


Tab. 3.1: Poder Calorıfico de algunos tipos de biomasa

Producto X* P.C.I. X* P.C.I. X* P.C.I.

Lenas y Ramas 0 19.353 20 15.006 40 10.659Serrines y Virutas 0 19.069 15 15.842 35 11.537Orujillo de Oliva 0 18.839 15 15.800 35 11.746Cascara de Almendra 0 18.559 10 16.469 15 15.424Cortezas Conıferas 0 19.437 20 15.257 40 11.077Cortezas Frondosas 0 18.225 20 14.087 40 9.948Poda de Frutales 0 17.890 20 13.836 40 9.781Paja de Cereales 0 17.138 10 15.173 20 13.209Paja de Cereales 30 11.286Vid - Sarmientos 0 17.765 20 13.710 40 9.656Vid - Ramilla de Uvas 0 17.263 25 12.331 50 7.399Vid - Orujo 0 18.894 25 13.543 50 8.193

* X indica el porcentaje de Humedad en la biomasaFigura Tomada de [17]

en un 66.7 % de biomasa como papel, carton, comida y madera, la parterestante esta compuesta por vidrios, plasticos y metales. Estos porcentajesanteriormente descritos se pueden extrapolar a todos los demas paıses delmundo [29]. De los desechos municipales en China se puede obtener 16 bil-lones de metros cubicos de gas y se planea tener una capacidad de generacionde 5,5GW para el 2010 y 30GW para el 2020[1].

3.4. Posibilidades de Uso de la Biomasa

Con biomasa se puede generar energıa termica (agua o aire caliente, vapor,etc), energıa electrica e incluso mecanica mediante el uso de biocarburantesen motores de combustion [17], entonces:

Generacion de Energıa Termica: El sistema mas extendido para estetipo de aprovechamiento esta basado en la combustion de biomasa soli-da, aunque tambien es posible quemar el biogas procedente de la di-gestion anaerobia de un residuo lıquido o el gas de sıntesis generado enla gasificacion de uno solido.


Tab. 3.2: Tipo, produccion y aprovechamiento de estiercol[39]Animal Produccion Produccion Produccion

Estiercol Biogas Energia2

Bovino 10.0 0.360 0.0657Equino 10.0 0.360 0.0657

Bubalino 15.0 0.550 0.1038Porcino (50kg) 2.5 0.180 0.0329

Ave (2.5kg) 0.18 0.011 0.0020

Generacion de Energıa Electrica: En funcion del tipo y cantidad debiomasa disponible varıa la tecnologıa mas adecuada a emplear paraeste fin:

• Ciclo de vapor: esta basado en la combustion de biomasa, a partirde la cual se genera vapor que es posteriormente expandido en unaturbina de vapor.

• Turbina de gas: utiliza gas de sıntesis procedente de la gasifi-cacion de un recurso solido. Si los gases de escape de la turbina seaprovechan en un ciclo de vapor se habla de un “Ciclo Combina-do”.

Generacion de Energıa Mecanica: Los biocarburantes pueden ser em-pleados en los motores alternativos de automoviles, camiones, autobus-es, etc., sustituyendo total o parcialmente a los combustibles fosiles. Lautilizacion de biocarburantes es especialmente interesante en industriasagrarias que dispongan de una adecuada materia prima para su produc-cion (aceites reciclados, cana, girasol, maız, trigo, etc.) y que puedanautoconsumirlos (por ejemplo en tractores), llegando a suponer impor-tantes ahorros en la factura de los combustibles.

3.4.1. Biocombustibles

La produccion de biocombustibles como el etanol y el biodiesel tiene el po-tencial de sustituir cantidades significativas de combustibles fosiles en variasaplicaciones de transporte. El uso del etanol en Brasil ha demostrado que losbiocombustibles son tecnicamente factibles a gran escala. La produccion de


biocombustibles en Estados Unidos de America y Europa (etanol y biodiesel) esta aumentando, siendo la mayorıa de los productos utilizados en mezclasde combustible, por ejemplo con el E203 se ha descubierto que su uso es posi-ble y eficaz en la mayorıa de los motores de combustion interna sin ningunamodificacion. Actualmente la produccion de biocombustibles es apoyada atraves de incentivos por parte de diferentes gobiernos alrededor de mundo yse espera que con el crecimiento de los cultivos dedicados a la bioenergıa ycon la mejora de las tecnologıas de obtencion, se logre reducir los costos deproduccion y por lo tanto hacer que el precio de los biocombustibles seancompetitivos frente a su contraparte fosil.

3.4.2. Generacion de Calor y Vapor

La combustion de la biomasa o de biogas puede utilizarse en la generacioncalor y vapor. El calor puede ser el producto principal, en usos tales comocalefaccion y cocina en hogares, o puede ser un subproducto de la produccionelectrica en centrales combinadas de calor y energıa. A nivel industrial, elvapor generado puede utilizarse para accionar turbinas de vapor para lageneracion de energıa electrica o utilizarse como fuente de calor en diferentesprocesos industriales.

3.4.3. Gas Combustible

Los biogases producidos a partir de los procesos termoquımicos o los bio-quımicos, pueden ser utilizados en motores de combustion interna, para ac-cionar turbinas para la produccion electrica, como fuente de energıa caloricacon fines comerciales o residenciales y en vehıculos especialmente modificadospara el uso de este combustible.

3.5. Razones para pensar en el uso de Biomasa como fuenteenergetica

Tradicionalmente la biomasa ha sido aprovechada por medio de la com-bustion directa, proceso que ha sido ampliamente utilizado en diferentes

3 Los combustibles que tienen algun porcentaje de etanol se utiliza esta sigla, los dosdıgitos que acompanan a la E representan este porcentaje. En este caso se tiene 20% deetanol y 80% de gasolina


partes del mundo. La produccion mundial de biomasa se estima en 146millones de toneladas metricas por ano [25]. La biomasa tan solo suple el3% de la demanda de energıa en los paıses industrializados, sin embargo,la poblacion rural de los paıses en desarrollo, que representa el 50% dela poblacion mundial, depende de la biomasa principalmente en forma demadera como combustible. La biomasa suple el 35% de la demanda de en-ergıa en los paıses en via de desarrollo, alcanzando un 14 % del consumo deenergıa en el mundo. [26].

Se tienen diferentes beneficios al usar biocombustibles uno de los masimportante es la disminucion de la emision de gases de invernadero, en es-pecial el CO2 y CH4. Sin embargo la emision gases acidos e hidrocarburosaromaticos se puede ver incrementada respecto a las que se produce cuandose usa gas natural.

En la tabla 3.3 tomada de [27] se muestra la porcion del consumo totalde energıa que es suplido por la biomasa en diferentes regiones del mundo.

Tab. 3.3: Importancia de la biomasa en diferentes regiones del mundo

Region Porcion de biomasa en la energıa consumidaAfrica (Promedio) 62.0Burundi 93.8Etiopia 85.6Kenya 69.6Somalia 86.5Sudan 83.7Uganda 94.6Asia del Sur (Promedio) 56.3Asia Oriental (Promedio) 25.1China 23.5America Latina (Promedio) 18.2Europa (Promedio) 3.5America del Norte (Promedio) 2.7Oeste Medio (Promedio) 0.3

Para grandes porciones de la poblacion rural de los paıses en desarrolloy las zonas mas pobres de las ciudades, la biomasa es muchas veces el unico


recurso energetico disponible y pagable para suplir sus necesidades basicas[27].

La biomasa no es ideal para su uso como combustible, esto se debe aque el contenido energetico calculado en masa seca, debe ser corregido de-bido al contenido natural de agua, esto puede reducir el contenido energeticodisponible en un 20% para aplicaciones de combustion directa [28]. Se tienendiferentes procesos alternativos a la combustion directa como son la Gasifi-cacion y Pirolisis que pueden tener una eficiencia global de 40-50%.

Segun McKendry [18], existen 3 importantes razones por las que es im-portante pensar en la biomasa como fuente energetica, las cuales son:

Los desarrollos tecnologicos relacionados a los procesos de cosecha, pro-duccion, etc. prometen a futuro la aplicacion de los procesos de con-version de biomasa a bajo costo y alta eficiencia.

Restablecimiento del sector agrıcola mediante la creacion de estımuloscomo los mostrados en paıses de Europa y USA, dicho restablecimientopermite, mediante una correcta seleccion de los tipos de biomasa acultivar, la restauracion de tierras degradadas, generacion de nuevosempleos y el acrecentamiento de la agricultura.

La amenaza potencial que representa el cambio climatico debido a losaltos niveles de emision de gases de efecto invernadero (siendo el CO2

el mas importante de ellos), dicha amenaza, ha propiciado mayoresestımulos para nuevas fuentes de energıa renovable. Cuando se producede manera sostenible, la biomasa emite aproximadamente la mismacantidad de carbon durante la conversion, que la que toma durante elproceso de crecimiento de la planta. En consecuencia, el uso de biomasano contribuye a aumentar la presencia de CO2 en la atmosfera.

Sin embargo existen otros estımulos, como por ejemplo el hecho de que labiomasa se puede encontrar en todos los paıses y su aplicacion puede ade-cuarse a la demanda del tipo de combustible necesario. Ademas de la posi-bilidad de generar nuevos empleos y la intensificacion de la agricultura, elmanejo de los cultivos energeticos conlleva tambien ciertos beneficios ambien-tales, como lo son la reduccion del uso de fertilizantes y pesticidas. Ademas,la seleccion de el cultivo apropiado hace posible la restauracion de la tierradegradada.


3.6. Propiedades de la Biomasa

Son las propiedades inherentes de la biomasa las que determinan la se-leccion del proceso de conversion y las subsiguientes dificultades que puedensurgir durante el proceso. Igualmente, la seleccion de biomasa como recur-so esta influenciada por la forma en que la energıa es requerida [18]. Laspropiedades principales de interes para el procesamiento de biomasa comofuente de energıa son [18]:

Tab. 3.4: Analisis Proximo de algunos tipos de Biomasa

Biomasa % Humedad* % VM % FC % Ash LHV(MJ/kg)

Madera 20 82 17 1 18.6Paja de Trigo 16 59 21 4 17.3Paja de Cebada 30 46 18 6 16.1Lignita 34 29 31 6 26.8Carbon Bituminoso 11 35 45 9 34

* Humedad IntrınsecaFigura Tomada de [18]

3.6.1. Contenido de Humedad

Hay dos formas de contenido de humedad que interesan para la biomasa:

Humedad Intrınseca: Es el contenido de humedad del material sin lainfluencia del clima.

Humedad Extrınseca: Tiene en cuenta la influencia de las condicionesclimaticas durante el proceso de recoleccion.

En terminos practicos el contenido de humedad extrınseca es el queconcierne, el contenido intrınseco de humedad es conseguido bajo condicionesde laboratorio. En la tabla 3.4 muestra el contenido de humedad tıpico (in-trınseco) para diferentes tipos de biomasa.

Otro factor importante que depende de las condiciones ambientales en laepoca de recoleccion es la potencial contaminacion de la biomasa, por ejemplo


la tierra, la cual puede llevar a deterioro importante de otros materialesdurante el proceso.

3.6.2. Poder Calorıfico

El Poder Calorıfico (denominado CV por sus nombre en ingles “CalorificValue”) es una expresion del contenido de energıa que libera el materialcuando se quema en aire. El CV es usualmente medido en terminos de laenergıa contenida por unidad de masa o volumen siendo: MJ/kg para solidos,MJ/l para lıquidos y MJ/Nm3 para gases.El poder calorıfico para combustibles puede ser expresado en dos formas;

El Poder Calorıfico Superior (Higher Heating Value - HHV): Es el con-tenido de energıa total liberada cuando el combustible es quemado enaire, incluye el calor latente contenido en el vapor de agua y por lotanto representa la maxima cantidad de energıa potencial recuperablede un tipo de biomasa dada.

El Poder Calorıfico Inferior (Lower Heating Value - LHV): En terminospracticos, el calor latente contenido en el vapor de agua no puede serusado eficientemente, por lo tanto, el LHV es el valor apropiado a usarpara disponer de la energıa en su uso.

El poder calorıfico superior es una de la propiedades mas importantesde los combustibles al momento de disenar y calcular los sistemas que lousaran. Tambien es importante cuando se realizan simulaciones numericas dela transformacion termica que se lleva a cavo en procesos como la gasificaciony pirolisis.

Este valor se puede aproximar mediante algunas ecuaciones, a contin-uacion se muestra una de ellas[47]:

HHV = 0,53536FC + 0,1559V M − 0,0078ASH(MJ/kg) (3.1)

Donde FC, VM, y ASH, son respectivamente el contenido de carbon, dematerial volatil y de ceniza en base seca. Esta ecuacion se basa en el analisisproximo y concuerda muy bien en varios residuos lignocelulosos de biomasa.


3.6.3. Porcentaje de Carbon Fijo y Material Volatil

El Contenido de Materia Volatil (VM) de un combustible solido es lafraccion se libera como gas en el proceso de calentamiento de biomasaa 950 ◦C por 7 minutos.

El Contenido de carbon Fijo (FC) es la masa restante despues de laliberacion de gases, excluyendo la ceniza y la humedad.

3.6.4. Contenido de Residuos-Cenizas

La descomposicion quımica de la biomasa como combustible, ya sea porprocesos termoquımicos o bioquımicos, produce residuos solidos. Cuando seproduce por combustion en aire, dicho residuo es llamado “Ceniza”y estableceun parametro estandar de medicion para combustibles solidos y lıquidos. Enel proceso de conversion bioquımica, el porcentaje de residuos solidos es supe-rior que el contenido de ceniza formado durante un proceso de combustion delmismo material. aquı, los residuos solidos representan la cantidad de carbonno biodegradable presente en la biomasa. Durante un proceso de conver-sion Termoquımica, la composicion quımica de la ceniza puede representarproblemas de operacion importantes, reduciendo la eficiencia del proceso eincrementando los costos de operacion.

3.6.5. Contenido de Metales Alcalinos

El contenido de metales alcalinos presentes en la biomasa, como lo sonNa, K, Mg, P y Ca, es de especial importancia para los procesos de con-version termoquımica. la reaccion de dichos metales con la sılice provenientede la ceniza genera una masa pastoza que puede generar obstrucciones ytaponamientos en las vıas de escape de la planta.

3.6.6. Proporcion de Celulosa-Lignina

Los porcentajes de celulosa y lignina en la biomasa son importantes soloen procesos de conversion bioquımicos. La biodegradabilidad de la celulosa essuperior que la de lignina por lo que la conversion total de carbono contenidoen el material presente como celulosa es superior para estas plantas que paraaquellas que poseen mayor proporcion de lignina en la biomasa, lo cual es unfactor determinante en la seleccion de biomasa para plantas de produccion.


3.6.7. Analisis Elemental

El analisis elemental de un combustible nos indica las cantidades de C,N, H, O y S junto con el contenido de ceniza. En la Tabla 3.5 se muestra elanalisis elemental de algunos tipos de biomasa.

Tab. 3.5: Analisis Elemental o Ultimo de algunos tipos de Biomasa

Biomasa C H O N S Ash

Madera de haya 51.6 6.3 41.4 - - -Madera (Promedio) 51.6 6.3 41.5 0 0.1 1Cascarilla de Trigo 48.5 5.5 3.9 0.3 0.1 4Cascarilla de Cebada 45.7 6.1 38.3 0.3 0.1 6Cascarilla de Arroz 41.4 5 39.8 0.7 0.1 -

Figura Tomada de [18]

3.7. Procesos de Transformacion Energetica de la Biomasa

La conversion de biomasa a energıa (bioenergıa) incluye un amplio rangode diferentes tipos y fuentes de biomasa, opciones de conversion, aplicacionfinal y requerimientos de infraestructura. Los factores que influyen en la se-leccion de un proceso de conversion son: El tipo y cantidad de biomasa atratar, la forma en que se desea la energıa, la utilizacion final de esta, lascondiciones economicas y factores especıficos del proyecto.La biomasa puede ser convertida en energıa usando dos principales proce-sos tecnologicos: Procesos termoquımicos y Procesos Bioquımicos/Biologi-cos. La extraccion mecanica (con esterificacion) es la tercera tecnologıa endicha produccion. A continuacion se da una breve explicacion de los procesosmencionados.

3.7.1. Procesos de Conversion Termoquımica

Los procesos de conversion termoquımica de la biomasa representan unode los grandes grupos en la conversion de energıa y se refiere a la reaccionquımica mediante la cual se libera energıa directamente o se convierte la


biomasa en combustible gaseoso o lıquido. Dos procesos termoquımicos fun-damentales en la transformacion de biomasa en nuevos combustibles son laPirolisis en el cual hay una descomposicion termica de un material organicodebido a su calentamiento en una atmosfera inerte y la Gasificacion, procesosimilar a la Pirolisis llevado a mayores temperaturas y/o presiones, en pres-encia de cantidades limitadas de aire u oxıgeno.

El estudio de procesos termoquımicos en la biomasa conlleva ciertas limita-ciones tales como velocidades de reaccion, reacciones secundarias, manejode gases y otros tipos de vapores expulsados al ambiente, entre otras, quepueden ser examinadas y analizadas con la documentacion y la practica queconlleva el diseno y la construccion de una termobalanza, los beneficios re-sultados de la adquisicion de conocimientos y experiencias en el desarrollode este tipo de temas se podran ver reflejadas al final de la investigacion ycontribuiran como un proceso a seguir en el desarrollo de futuros estudioscon biomasa o como una nueva herramienta para recolectar y analizar datosy determinar nuevas variables en el estudio de procesamiento de biomasacomo fuente renovable de energıa en nuestro paıs. Es decir, se podra obteneruna mejor y mas eficiente forma de experimentar con nuevas opciones deenergıa en Colombia. A continuacion se muestran cada uno de estos procesosy en la figura 3.5 se ilustran los procesos termoquımicos con los respectivosproductos finales y sus posibilidades de uso.

Combustion

La quema de biomasa en aire, combustion, se usa para un rango amplio deproduccion en la conversion de la energıa quımica almacenada en la biomasaa calor, potencia mecanica o electricidad usando varias opciones de equiposde procesamiento. Como lo son estufas, hornos, quemadores, turbinas de va-por, turbo-generadores, entre otros. La combustion de biomasa produce gas-es calientes a temperaturas alrededor de 800− 1000 ◦C. Es posible quemarcualquier tipo de biomasa, pero en la practica, se queman biomasas con uncontenido de humedad menor al 50 %, a menos que la biomasa sea presecada.Los rangos en la escala de plantas de combustion van desde muy pequenas,como lo son los mecanismos para calentamiento domestico, hasta plantasindustriales dentro del rango de 100-3000 MW. El rango de eficiencia netaen la conversion a bio-energıa para este tipo de proceso, va desde el 20%hasta el 40%. las altas eficiencias son obtenidas con sistemas de produccion


Fig. 3.5: Procesos TermoquımicosFigura tomada de [21]

superiores a 100 MW [19].Entre las configuraciones tıpicamente usadas para la combustion de biomasase incluyen la Pila de quemado, el Fogon de quemado, el Quemado en suspen-sion y la Combustion de cama fluidizada, a continuacion se describira breve-mente cada uno de estos tipos.

Pila de quemado Es la forma basica de quemado de biomasa y se caracterizapor su flexibilidad respecto al tipo de combustibles que se pueden usary en su diseno (de caracter artesanal). Sin embargo la eficiencia de esteproceso es menor respecto a otros, esto se debe al deficiente control quese tiene sobre la combustion.

Fogon de Quemado El fogon de quemado, se caracteriza principalmente enque su sistema de alimentacion es capaz de distribuir una capa uniformede combustible sobre el lecho de quemado. Las diferencias entre lascalderas que se usan para los diferentes tipos de combustion directa sebasan en su sistema de alimentacion y forma de quemar el combustible.En las calderas con lechos estacionarios inclinables, el combustible se


quema mientras va cayendo al fogon, debido a esto el control se hacemuy complicado y siempre existe el riesgo de sobrealimentar el sistema.En las calderas con lechos moviles, el combustible es alimentado por unlado de este y a medida que este es quemado, las cenizas resultantes sondescargadas fuera del horno, con esta configuracion se tiene un mejorcontrol en la combustion. Con las calderas de transporte por vibracion,el combustible es distribuido uniformemente por toda el lecho y secaracteriza porque requerimientos de mantenimiento son menores.

Quemado en Suspension Las calderas de quemado en suspension, son simi-lares a las que usan carbon pulverizado, ya que la alimentacion de estasse hace con pequenas partıculas de combustible. El combustible debetener un tratamiento especial, lo cual representa algunas desventajasfrente a otros sistemas, sin embargo la eficiencia de la caldera es unagran punto a favor.

Combustion de cama fluidizada Los sistemas de combustion fluidizada, selogran con la ayuda de la incidencia de aire a alta velocidad sobreel combustible, aspecto en el cual estos sistemas son muy flexibles.Ademas que la eficiencia de combustion es mucho mayor que la de lossistemas mencionados anteriormente, se suma el verdadero control quese tiene sobre la combustion y por lo tanto en la produccion de oxidosde nitrogeno y sulfuro.

La biomasa que mas se emplea es la lena, cuyo poder calorıfico depende delcontenido de fibra, resina y humedad. Se tiene como valor promedio del podercalorıfico para la madera de 20MJ/kg, pero este es inversamente proporcionala el contenido de humedad. A continuacion se muestra una tabla en donde seresumen las principales recursos de biomasa usados en la combustion directacon su respectivo poder calorıfico.

Gasificacion

La gasificacion es el proceso de conversion de biomasa en una mezclade gases mediante la oxidacion parcial a altas temperaturas, comunmenteen el rango de 800− 900 ◦C. Los gases de bajo poder calorıfico producidos(alrededor de 1-6 MJ/Nm3) pueden ser quemados directamente o usadoscomo combustible en motores o turbinas a gas. El gas producido tambienpuede ser usado en procesos quımicos como gas de sıntesis y en la produccion


Tab. 3.6: Principales recursos de biomasa usados en la combustıon directa[1]Recursos de Biomasa Poder Calorıfico (MJ/kg)Madera 20Bagazo de cana de azucar sin secar 9Paja de cereales 16-17Desechos organicos sin secar 13.2

de Metanol [19]. En la figura 3.6 se muestran los productos resultados delproceso de gasificacion.

Fig. 3.6: Proceso de GasificacionFigura tomada de [20]

Pirolisis

Es la conversion de biomasa a combustibles lıquidos, solidos y fraccionesgaseosas mediante el calentamiento de esta en ausencia de aire u oxıgeno a


temperaturas de alrededor de 500 ◦C. en la figura 3.7 se muestran los resul-tados del proceso de pirolisis.

Fig. 3.7: Proceso de PirolisisFigura tomada de [20]

Como en todos los proceso de transformacion termoquımica, los productosobtenidos de la pirolisis dependen de las condiciones de la biomasa que esusada como el porcentaje de humedad y las condiciones del proceso comola velocidad de calentamiento y su temperatura maxima (tipo de pirolisis)entre otros. En el siguiente capitulo se mostrara a fondo cada uno de estosfactores que influyen en el proceso.La pirolisis para la produccion de combustibles lıquidos a ganado un graninteres en los ultimos anos debido a facilidad de almacenamiento y transportede este producto. Generalmente despues de la pirolisis se lleva a cavo elproceso de gasificacion, sin embargo cuando la pirolisis se tiene como unicoproceso, en este caso, las condiciones de este con escogidas para maximizarel rendimiento en la produccion de combustibles lıquidos.

En la Tabla 3.7 se muestran los valores promedio del poder calorıfico decada una de los tipos de combustible obtenidos a partir de la pirolisis.


Tab. 3.7: Valores del poder calorıfico de los combustibles obtenidos por medio dela pirolisis [1]

Tipo de combustible Poder Calorıfico (MJ/m3)Gas combustible 8-15Lıquido o aceite combustible 25Carbon vegetal 25-30

Como se dijo anteriormente manejar las condiciones del proceso son im-portantes para determinar el producto final que se quiere obtener. En la tabla3.8 se resumen algunas de estas condiciones basicas, hay que anotar que noson las unicas.

Tab. 3.8: Condiciones del proceso de pirolisis para la obtencion de un tipo deter-minado de combustible

Tipo de combustible Condiciones de procesoGas combustible Se requiere una alta temperatura

y una baja tasa de calentamiento.Lıquido o aceite combustible Es recomendable una baja temperatura

y una tasa de calentamiento alta.Carbon vegetal Se recomienda una baja temperatura

y un rata de calentamiento baja

Los productos de la pirolisis pueden ser utilizados en motores y turbinasy carbon activo en refinerıas. Los problemas en el proceso de conversion yel subsiguiente uso del combustible son, por ejemplo, la pobre estabilidadtermica y el caracter corrosivo de los productos [19]. Mas adelante se profun-dizara en este tema.

Licuefaccion

Representa la conversion de biomasa en un hidrocarburo estable a altaspresiones y oxigenacion parcial [19]. Ya que la biomasa usualmente tiene unalto contenido de humedad, la licuefaccion resulta favorable en terminos de


consumo de energıa. Por medio de esta tecnologıa, se obtiene bio-aceite comoproducto primario, condensando los vapores que emergen de este proceso ycomo productos secundarios se obtienen algunos quımicos [20]. Sin embargo,una desventaja es que el reactor y los sistemas de alimentacion de combustibleson mas complejos y mas costosos que los del proceso de pirolisis.

3.7.2. Procesos de Conversion Bioquımica

Son dos los principales procesos que se utilizan en este tipo de conversion,se muestran en la figura 3.8, los cuales son:

Fig. 3.8: Proceso Bio-Quımicos de conversion de biomasaFigura tomada de [20]

Fermentacion

La fermentacion es usada comercialmente a gran escala y en varios paısesen la produccion de etanol derivado de cultivos de cana de azucar o de re-molacha. La biomasa crece bajo la tierra en la cual absorbe almidon queconvierte de enzimas a azucares, las cuales mediante el proceso se convierte


despues en alcohol [19].Los residuos solidos resultados del proceso de fermentacion puede ser usadocomo alimento para ganado y en el caso de cana de azucar, el bagazo puedeusado como combustible en quemadores o para la subsiguiente gasificacion.

Digestion Anaerobica

Es la conversion de material organico directamente a gas, biogas, unamezcla de, principalmente, metano y dioxido de carbono con pequenas can-tidades de otros gases como sulfuros de hidrogeno. La biomasa es convertidapor una bacteria en un ambiente anaerobico, produciendo un gas con uncontenido de energıa de alrededor de 20-40 % del LHV de la biomasa inicial.Actualmente es usada ampliamente para el aprovechamiento de los desechosorganicos con alto contenido de humedad. El biogas se utiliza directamenteen turbinas a gas y como gas natural si se le extrae el CO2 [19].

3.7.3. Proceso de Conversion Fısico-Quımico

Dicho proceso esta basado en la aplicacion de presion, vapor o acidos enprocesos de extraccion directa a partir de la biomasa.

Extraccion Mecanica

Es un proceso de conversion mecanica usado para producir aceites desemillas de varios tipos de biomasa, como las semillas de algodon, nuecesentre otras para la produccion de biocombustibles. En este proceso, por ca-da tonelada de combustible que se desea extraer, es necesario contar con3 toneladas de materia prima (biomasa), dicho combustible se puede hacerreaccionar con alcohol por medio de un proceso de esterificacion para obtenerbiodiesel [19].

3.8. Biomasa en Colombia

En el mapa mostrado en la figura 3.9, los lugares mas oscuros hacenrelacion a una alta densidad de materia de biomasa, y los mas claros, serefieren a los de menor densidad de materia de biomasa. Los potenciales sedistribuyen para la biomasa primaria, en las areas rurales con considerableactividad agrıcola y bosques, para los residuos solidos municipales se cuenta


Fig. 3.9: Biomasa en Colombia[39].


con los centros urbanos. Teniendo en cuenta el gran potencial en la produc-cion de biomasa, se han hecho una serie de estimaciones a futuro en las cualesse muestra la produccion de biomasa y energıa a partir de esta, en algunosdepartamentos de Colombia[39].

3.8.1. Cultivos Energeticos

Se generan diferentes productos a partir de este tipo de cultivos como loson el biodiesel y alcohol carburante. En las Tablas 3.9 y 3.10 se mostraranlos resultados de las estimaciones hechas para el ano 2015 para algunos de-partamentos de Colombia.

Tab. 3.9: BiodieselDepartamento Cesar Meta Tolima

Palma Africana MWh/Ano 1544 1421 929Gal/Ano 408.612.350 375.944.003 245.783.994

Girasol MWh/Ano 545 211 74Gal/Ano 147.935.870 57.282.846 20.096.528

Soya MWh/Ano 334 129 45Gal/Ano 93.874.530 36.348.875 12.752.214

Tab. 3.10: AlcoholDepartamento Cesar Cundinamarca

Cana de Azucar MWh/Ano 2431 1919Gal/Ano 960.128.947 757.937.709

Maızl MWh/Ano 866 299Gal/Ano 341.990.841 118.005.778

Papa MWh/Ano 0 164Gal/Ano 0 64.844.329

Yuca MWh/Ano 508 401Gal/Ano 200.556.109 158.323.168


Residuos Agroindustruales

En esta proyeccion mostrada en la Tabla 3.11 se tendra en cuenta lossubproductos generados a partir de la cosecha y procesamiento de la cana deazucar y de la palma africana.

Tab. 3.11: Aprovechamiento energetico

Departamento Cesar Meta Tolima

Cana - Bagazo Ton 15.057.249 14.577.059 12.467.847MWh/Ano 4247 4112 3517

Cana - Residuos de Cosecha Ton 23.883.914 23.122.233 19.776.586MWh/Ano 11.360 10.998 9.407

Palma africana - Pulpa Ton 3.294.631 3.031.231 1.981.746MWh/Ano 2.143 1.972 1.289

Manejo

Los residuos municipales en su mayorıa son arrojados a depositos o rel-lenos sanitarios cercanos a los cascos urbanos, de estos los mas grandes delpais estan ubicados en Bello y Don Matıas en Antioquia, Mondonnedo y elaltiplano cundiboyacense (Dona Juana), en Cundinamarca. El 85% de la ba-suras en estos depositos son generadas en los hogares y el 15% restante loproduce el comercio, la industria, las plazas de mercado y las vias publicas.Por otro lado, tan solo el 56% de los centros urbanos en Colombia disponende las basuras en botaderos a cielo abierto y el 5% los arrojas a los rıos. En lasiguiente grafica, se muestra la relacion porcentual de los tipos de vertederosusados en Colombia.

En la grafica 3.10 los denominados rellenos sanitarios tienen una LicenciaAmbiental pero las condiciones tecnicas son deficientes. Los niveles de gen-eracion de desechos municipales per capita en los principales centros urbanosse consignaran en la tabla 3.12 tomada de [39]

El uso de la biomasa con el fin de producir energıa, no esta desarrolladoa gran escala en Colombia, sin embargo se adelantan proyectos en diferenteszonas del paıs para verificar la viabilidad de estos procesos. A continuacionse muestran algunos de estos proyectos[20]:


Tab. 3.12: Generacion de desechos per capita en las principales ciudades de Colom-bia.

Region Urbanizada Produccion Per Capita (kg/hab/dia)Bogota 0.8Cali 0.99

Medellin 0.61Barranquilla 0.66Bucaramanga 0.77

Pereira 0.56Santa Marta 0.94

Cucuta 0.94Cartagena 0.39Manizales 0.61Monteria 0.82

Neiva 0.69Villavicencio 0.69

Armenia 0.44Sincelejo 0.69Tulua 0.62

Valledupar 0.63Pasto 0.48

Popayan 0.77Sogamoso 0.64

Barancabermeja 0.61Girardot 0.39

San Adres 0.61


Fig. 3.10: Relacion porcentual de los tipos de vertederos usados enColombia[39].

Plantas de Biogas En el pais hay 7 plantas en Cauca y Narino y 4 se encuen-tran en construccion.

Biodigestores Es un proyecto desarrollado en Yopal y liderado por el ICEL(Instituto Colombiano de Energıa Electrica).

Sistema sostenible de produccion agropecuaria Proyecto desarrollado para elaprovechamiento de la cana de azucar en cali, el cual esta liderado porCIPAV (Centro para la investigacion en Sistemas Sostenibles de Pro-duccion Agropecuaria).

Utilizacion de desechos industriales Se espera realizar un sistema de gen-eracion electrica de 100KW por parte Dynaterm.

Uso de biogas en rellanos sanitarios Se estan adelantando algunos estudiosen el relleno sanitario de Dona Juana en Bogota.

3.8.2. Desventajas del uso de biomasa

En naturaleza, la biomasa tiene relativamente baja densidad de energıa ysu transporte aumenta los costos, reduciendo la produccion de energıa neta, es


decir que se necesitan grandes volumenes en comparacion con los necesariospara producir la misma cantidad de energıa con combustibles fosiles, estohace su transporte y almacenamientos difıciles y costosos. Para superar esteinconveniente se debe localizar el proceso de conversion de energıa (cualquierade los descritos anteriormente) cerca de una fuente de biomasa.

Generalmente en procesos como la combustion directa de lena se producengases organicos como monoxido de carbono y si se utiliza la combustion dealta temperatura, se producen oxidos del nitrogeno, los cuales pueden generarproblemas de salud en las personas que se encuentren cerca del lugar dondese realiza este proceso.

Existe la posibilidad que el uso extensivo de bosques naturales comofuente de biomasa cause la tala de arboles y escasez localizada de lena, conconsecuencias ecologicas y sociales negativas. Este fenomeno esta ocurriendoactualmente en Nepal, partes de la India, Sudamerica y en Africa sub Sa-hara., donde la madera usada proviene de areas de bosque virgen.

A pesar que la mayorıa de procesos de obtencion de energıa a partir de labiomasa no son competitivos respecto a los tradicionales, su adaptabilidad alas condiciones locales y la preocupacion cada vez mayor por las emisionesde gas de invernadero esta haciendo a la energıa de biomasa mas atractiva.

4. PIROLISIS

La pirolisis se califica como un proceso termoquımico, donde se usa altastemperaturas para descomponer cualquier material organico, en una atmosferalibre de oxıgeno. Esta descomposicionon consiste en una serie compleja dereacciones quımicas y de procesos de transferencia de materia y calor. Du-rante este proceso se rompen las largas cadenas de carbohidratos, las cualesse degradan en pequenas moleculas, obteniendo subproductos solidos lıquidosy gaseosos, que pueden ser usados como recursos energeticos.

Se constituye como una base para los demas procesos de transformaciontermoquımica aplicados a la biomasa y es el que mejor se adapta a las carac-terısticas de la que en Colombia se genera. Dependiendo del destino final delos productos obtenidos a partir de la pirolisis, se puede controlar las condi-ciones del proceso, con el fin de optimizar la produccion de un productosdeterminado [41].

En general se puede considerar que la pirolisis comienza a los 500 K,llegando a ser practicamente completa cuando se alcanzan los 750 K, aunqueesto depende del tiempo de residencia del material en el reactor[42].

4.1. Generacion de productos y subproductos durante elproceso de Pirolisis

La generacion de productos y subproductos, depende directamente de lascaracterısticas de la biomasa que se esta usando y de los parametros querigen el proceso. En la pirolisis de biomasa, se generan diversos productos,los cuales pueden ser clasificados en tres grupos[41][42]:

Gases Son componentes no condensables que pueden ser CO2, CO, H2, CH4

y C2H6 y pequenas cantidades de hidrocarburos ligeros.

Lıquidos Llamados productos condensables, compuestos por una mezcla dediferentes productos como lo son: acetonas, acido acetico, compuestos

4. Pirolisis 61

aromaticos entre otros.

Solidos Se constituye por el residuo carbonizado, el cual puede ser usadocomo combustible o para la produccion de carbon activo.

Con la variacion de los parametros que inciden en el proceso, se puedentener diferentes productos, los cuales se clasifican en primarios y secundarios,segun se muestra en la grafica 4.1.

Fig. 4.1: Diferentes productos, primarios y secundarios a partir del pro-ceso de pirolisis

Normalmente los gases empiezan a desprenderse entre 473 y 723 K, sugeneracion maxima se encuentra entre los 623 y 673 K, pero algunos gasescontinuan su produccion a temperaturas mayores a las mencionadas anteri-ormente. Los productos condensables con agua se generan entre 523 y 573 Kmientras que la formacion de condensados libres de agua se da entre 600 y750 K. Finalmente queda el carbonizado como material remanente[41].

4.2. Variables que influyen en el Proceso de Pirolisis

En la figura 4.2 se muestran las variables que influyen en el proceso depirolisis, del control de dichas variables dependen los productos finales delproceso.

4. Pirolisis 62

Fig. 4.2: Variables que influyen en el proceso de PirolisisFigura tomada de [32]

4.2.1. Composicion de la Biomasa

El proceso de pirolisis se ve fuertemente afectado por los componentesbases de la biomasa a tratar (para el presente trabajo, la biomasa es detipo vegetal), dicha biomasa se compone de diferentes tipos de materialescomplejos, derivados de diferentes tipos de celulas vegetales vivas y muertas,cuya estructura y composicion varıa para diferentes tipos y partes de lasplantas. Ası, por ejemplo, las hojas verdes contienen considerables cantidadesde proteınas y lıquidos susceptibles de extraccion y una baja cantidad decompuestos celulosicos, mientras que materiales con apariencia de maderacontienen principalmente componentes presentes en la pared celular (celulosa,hemicelulosa y lignina) [21].Durante el estudio del proceso de degradacion termoquımica de la biomasa,se ha encontrado que los efectos de la pirolisis sobre el material pueden serdescritos como una superposicion de los efectos individuales que sufren loselementos constitutivos de la misma bajo este efecto. Se encuentra que labiomasa posee largas cadenas de hidrocarburos agrupados en tres grandesgrupos: Cerca del 25% de Hemicelulosa, 50% de Celulosa y alrededor del25% de Lignina segun Beall [33].Cada uno de los componentes posee una temperatura de reaccion. En el

4. Pirolisis 63

proceso, la descomposicion en la forma [31]:

El material se seca hasta alcanzar una temperatura de 106 ◦C, lo queasegura que la humedad higroscopica del material sea evaporada.

En un rango de temperaturas entre 200 y 350 ◦C comienza la degradacionde la celulosa y la hemicelulosa. Lo que tiene como resultado la forma-cion de carbonizado y liberacion de la materia volatil.

Con el aumento de la temperatura, la celulosa continua reaccionando,aumentando la rapidez con la que la materia volatil se libera (350 a500 ◦C).

En temperaturas entre 400 y 500 ◦C, se hace notoria la descomposicionde la lignina, a pesar que ella se descompone en un rango de temper-aturas mucho mas amplio.

Los rangos de temperatura y sus caracterısticas son [34]:

Zona de Descomposicion I: Se da a temperaturas menores a 106 ◦C y sepresenta un proceso de secado de la humedad presente en la biomasa.

Zona de Descomposicion II: Se da en un rango de temperaturas entre106 y 250 ◦C aprox. y se presenta un proceso de descomposicion deextractos.

Zona de Descomposicion III: Se da en un rango de temperaturas entre250 y 350 ◦C aprox. y se presenta un proceso de descomposicion deHemicelulosa.

Zona de Descomposicion IV: Se da en un rango de temperaturas entre350 y 500 ◦C aprox. y se presenta un proceso de descomposicion de lacelulosa.

Zona de Descomposicion V: Se da a temperaturas superiores a 500 ◦Cy se presenta un proceso de descomposicion de la Lignina.

4. Pirolisis 64

4.2.2. Tamano de Grano

La seleccion del tamano de grano adecuado es importante ya que estees uno de los factores que determina si las proporciones y naturaleza de losproductos del proceso de pirolisis, seran influenciadas en su mayoria por lasreacciones quımicas o por efectos de transporte de masa y calor que se pre-sentan en la partıcula.Durante el proceso de obtencion de la materia prima para llevar a cabo elproceso de pirolisis, es usual moler la biomasa, hasta obtener un tamano degrano que se encuentre dentro de un intervalo especificado segun las condi-ciones impuestas para el proceso.Al tener partıculas cuyo tamano sea cada vez menor ocurre [31]:

El gas generado abandona con mayor facilidad el solido ya que el espaciorecorrido es menor, teniendo un tiempo de contacto menor entre las dosfases, Esto tiene como consecuencia la reduccion de las reacciones entrela fase volatil y el carbonizado (reacciones secundarias), produciendouna cantidad menor de carbonizado y mayor de materia volatil.

Reduccion de los gradientes termicos, ocasionando que las reaccionessean gobernadas en su mayorıa por la cinetica quımica.

Tiempos de reaccion menores, reaccionando a temperaturas mas bajascon respecto a una partıcula de mayor tamano de grano.

4.2.3. Altura del lecho del material

Esta variable tiene diferentes significados fısicos dependiendo del reactorque se emplee para llevar a cabo los procesos de pirolisis o gasificacion. Porejemplo, en hornos rotatorios, hace referencia al grado de llenado, mientrasque equipos como las termobalanzas indica la altura del material dentrodel reactor (altura de cama). El efecto del aumento de la altura del lechoes similar al producido al aumentar el tamano de grano, en el sentido deque se presenta un gradiente de temperatura entre la superficie de cama ysu interior y una mayor dificultad para que los productos de las reaccionesprimarias que se presentan en el medio de la muestra de material salgan haciala superficie de la misma, facilitando ası las reacciones secundarias y por lotanto la formacion de una mayor proporcion de carbonizado y gases y unamenor cantidad de alquitranes [21].

4. Pirolisis 65

4.2.4. Velocidad de calentamiento

La duracion e intensidad de calentamiento afecta no solo la velocidad ycantidad de reacciones pirolıticas sino tambien su secuencia y la formacionde productos. Un aumento lento de la temperatura y por lo tanto un peri-odo largo de calentamiento, permite el desarrollo de reacciones secundarias,mientras que velocidades rapidas de calentamiento las reducen. Su influenciase puede observar mas adelante cuando se explican los diferentes tipos depirolisis.

4.2.5. Temperatura final del proceso

Para un proceso de pirolisis con una velocidad de calentamiento determi-nada, la temperatura final del proceso esta ıntimamente ligada con el tiempode permanencia, es decir, con el lapso de tiempo durante el cual el materialsolido o biomasa se degrada bajo la influencia de la temperatura, ya que elaumento de la misma es una funcion del tiempo.A medida que la temperatura final de la muestra aumenta, ocurre [31]:

Se ve favorecida la produccion del carbonizado y aumenta la generacionde gas ya que se llega a temperaturas que permiten que la fase volatilreaccione con el carbonizado que en el momento se esta formando.

Aumento en la produccion de hidrogeno, puesto que existe un mayorrompimiento de los enlaces de los hidrocarburos. Esto tiene como con-secuencia un decrecimiento en el contenido de dioxido de carbono y unincremento en la produccion de monoxido de carbono.

Cada uno de los componentes principales de la biomasa tiene un rangoparticular de descomposicion, en la tabla 4.1 se mostrara este comportamien-to:

En dicha tabla se puede observar que la temperatura maxima alcanzadaen el proceso influye en la composicion del producto final. Cuando la ve-locidad de calentamiento se aumenta, la velocidad de generacion de volatilestambien lo hace, esto tiene como consecuencia que los gases no tengan tiem-po para reaccionar con la fase solida disminuyendo la presencia de reaccionessecundarias y la cantidad de carbonizados en el producto obtenido.

Finalmente dependiendo de la tasa de calentamiento del proceso se puedeclasificar, en pirolisis lenta o rapida. En la figura 4.3, se mostraran los pro-ductos obtenidos segun el tipo de pirolisis.

4. Pirolisis 66

Tab. 4.1: Rangos de descomposicion de biomasa[41]Rango de temperatura Proceso de descomposicion.

Menor a 379K Evaporacion de la humedad.Entre 379 y 523 K Descomposicion de extractosEntre 523 y 623 K Descomposicion de hemicelulosaEntre 623 y 773 K Descomposicion de celulosaMayores a 773 K Descomposicion de lignina

Fig. 4.3: Pirolisis lenta y rapida

4. Pirolisis 67

4.2.6. Atmosfera

Las reacciones secundarias que se presentan varıan en cantidad y natu-raleza dependiendo de la atmosfera en la cual se lleven a cabo. Las atmosferasen las cuales se lleva a cabo el proceso de pirolisis son [31]:

Vacio: Permite remover rapidamente los productos generados que sondisueltos facilmente en la fase gaseosa. Lo que reduce la recombinaciono descomposicion que puedan tener con el material solido.

Atmosfera Inerte: Como en Nitrogeno o el Argon, que permite un in-cremento de la tasa de descomposicion del materia, sin embargo, el gasresultante tiene bajo poder calorıfico.

Atmosfera Reactiva: En la mayorıa de los casos es vapor de agua, la cualaumenta la velocidad de rompimiento de los enlaces y la degradacionde las moleculas.

En la tabla 4.2 se relacionan los diferentes tipos de pirolisis con las vari-ables que se manejan en cada uno:

Tab. 4.2: Diferentes tipos de pirolisis y sus variables de proceso[42]

Pirolisis Tiempo Velocidad Presion Temp ProductoResidencia Calentam Bar K Mayorit

Carbonizacion Horas-dias Muy baja 1 673 SolidoConvencional 5-30 min Baja 1 873 Gas liq. y solido

Fast 0.5-5 seg. Muy alta 1 923 LıquidoFlash-lıquido 1 seg. Alta 1 650 Lıquido

Flash-gas 1 seg. Alta 1 650 GasUltra 0.5 seg. Muy alta 1 1273 Gas P. QuımicoVacıo 2-3-seg Media 0.1 673 Lıquido

4. Pirolisis 68

Fig. 4.4: Esquema de Calentamiento del Proceso de Pirolisis y GasificacionFigura tomada de [32]

4.3. Esquema de Calentamiento

4.4. Variaciones en el Proceso de Pirolisis

4.4.1. Pirolisis Lenta

En este tipo de pirolisis, la biomasa es pirolizada a bajas ratas de calen-tamiento (5-7 K/min) lo que permite la produccion de bajos contenidos deproductos lıquidos y gaseosos y mayor contenido de solidos quemados [15].Es uno de los procesos en los que han trabajado mas autores como:

Zendersons [30] Realizo experimentos de pirolisis lenta con bagazo de canapara la produccion de solidos quemados, obteniendo 23-28% de carbon vege-tal. Putun [30] realizo experimentos de pirolisis con cama fija con semillas deavellana y girasol a diferentes temperaturas y a una tasa de calentamientode 7 K/min, obteniendo por ejemplo 35 % de carbon y 36% de combustiblelıquido a una temperatura de 673K, en cambio, a una temperatura de 973K,obtuvo 26 % y 38% de los mismos para la semilla de girasol. Onay y Kockar[30] realizaron experimentos en donde variaba el tamano de las partıculas deun mismo tipo de biomasa, resultando que para partıculas de radio menoresde 0.425 mm se obtiene la mayor cantidad de carbon (23%) y las cantidades

4. Pirolisis 69

mas bajas de aceites y gases (44% y 26% respectivamente), en cambio parapartıculas de tadio entre 1.25 y 1.8mm se obtienen las menores cantidadesde residuos solidos (17%) y las mayores de aceites y gases (48% y 28%respectivamente).

4.4.2. Pirolisis Rapida

La produccion de mayores cantidades de lıquidos se puede obtener me-diante la pirolisis rapida. Esta incluye relativamente altas tasas de calen-tamiento de biomasa, las cuales pueden llegar hasta 300 ◦C/min. Se utilizageneralmente para obtener bioaceites de alto grado en reactores de cama flu-idizada los cuales ofrecen altas tasas de calentamiento, control efectivo devolatiles y facilidad en el control y recoleccion de productos. Varios autoreshan contribuido en el estudio del proceso de pirolisis rapida: Onay [30] ex-perimento en un reactor de lecho fijo obteniendo un 68% de aceite a unatemperatura de 550 ◦C, tamano de partıcula entre 0.6 y 0.85mm, tasa decalentamiento de 300 ◦C/min y un flujo de N2 de 100 cm3/min.

4.4.3. Pirolisis “Flash”

Es el proceso en el cual el tiempo de reaccion es solo de algunos segundos,la tasa de calentamiento es muy alta y el tiempo de residencia de la biomasaes de pocos segundos. Al necesitar tasas altas de calentamiento, el tamanode las partıculas debe ser muy pequena, de aproximadamente 105-250 microm [15].

4.4.4. Pirolisis Catalıtica de Biomasa

De la literatura se observa que los lıquidos obtenidos de alguno de losprocesos de pirolisis de biomasa no pueden ser utilizados directamente comocombustible para transporte debido a los altos contenidos de oxıgeno y agua.El proceso de pirolisis catalıtica de biomasa mejora la calidad de los aceitesproducidos utilizando en el proceso catalizadores como silicatos minerales(zeolito) o aluminas [15].

4. Pirolisis 70

4.5. Composicion y Aplicacion de los productos resultados delproceso de pirolisis

4.5.1. Productos Lıquidos

Composicion

Los aceites obtenidos de la pirolisis de biomasa contiene componentesorganicos (como metanol, etanol, isobutanol, formaldeidos, algunos acidos,aromaticos, entre muchos otros) e inorganicos (como Ca, Si, K, Fe, Al, Na,etc) [15].

Aplicaciones

Combustible base.

Generacion de potencia.

Produccion de resinas y quımicos.

Combustible para transporte y como sustituto de combustibles fosiles.

Preservantes de madera.

En una mezcla con combustible Diesel, en motores de combustion in-terna.

Fabricacion de Adhesivos.

4.5.2. Instalaciones

La carbonizacion es el proceso pirolitico mas importante a nivel industrial,cuyo fin es el de producir carbon vegetal. En la tabla 4.3 se muestran lasdiferentes instalaciones en las cuales este proceso se lleva a cabo.

4.5.3. Productos Solidos

Composicion

Los residuos solidos quemados contienen en su mayorıa carbon con al-gunos componentes como Hidrogeno y otros componentes inorganicos [15].

4. Pirolisis 71

Tab. 4.3: Instalaciones en el proceso de de carbonizacion[42]

Instalacion Ventajas InconvenientesApilamiento Bajo costo Poco control

Capacidad muy variable Producto muy heterogeneoCualquier lugar Costo de mano de obra

Horno de ladrillo Bien aislado y resiste a la corrosion Preparacion del materialFacil manejo Capacidad fijaDurabilidad Enfriamiento lento

Producto homogeneoHorno de metal Movilidad Vida corta

Enfriamiento corto Costo altosContinuo Gran homogeneidad Tecnologıa mas compleja

Recuperacion de energıaAutomatizacion

Aplicaciones

Como combustible solido en quemadores normales o de alta eficiencia,reemplazando al bagazo u otro tipo de biomasa.

En la produccion de carbon activo.

En la obtencion de gases ricos en Hidrogeno.

4.5.4. Productos Gaseosos

Composicion

Los gases de pirolisis comprenden CO, CO2 y CH4 [15]. Otros compo-nentes presentes son H2, propanos, butanos, C5, etc.

Aplicaciones

Los gases productos de la pirolisis que contienen cantidades importantesde dioxido de carbono junto con metano pueden ser usados como com-bustibles en procesos de combustion industriales.

4. Pirolisis 72

4.6. Procesos que Conllevan a un Estudio deTermogravimetrıa (TGA)

El estudio en termobalanza nace como consecuencia de realizar procesosde pirolisis de residuos agroindustriales, ası como la caracterizacion y defini-cion de dichos residuos para especificar su potencial de uso como fuente deenergıa renovable en el mercado energetico colombiano.Como se explico anteriormente, los procesos de transformacion de la biomasase agrupan en tres grandes grupos: los bioquımicos por accion microbiologica,los termoquımicos, a traves de tratamientos termicos, y los fısico-quımicos.Los procesos de transformacion termoquımica son la pirolisis, la gasificacion,la combustion y la licuefaccion. A traves de estos procesos se producen difer-entes fracciones de combustibles solidos, lıquidos y gaseosos y energıa termica.La fraccion de cada uno de estos productos puede ser influenciada por mediode la variacion de los parametros del proceso. El presente trabajo se enfocaespecialmente en los procesos de pirolisis y gasificacion.

Por medio de un analisis de termogravimetrıa es posible la medicion dela perdida de masa de un material con respecto a la temperatura cuandoeste es sometido a procesos de transformacion termoquımica. Con los datosobtenidos se puede realizar un estudio cinetico del proceso.

Finalmente, dentro del valor potencial que implica la construccion deuna termobalanza y la investigacion de fuentes renovables de energıa en laUniversidad Nacional de Colombia se habla de la posibilidad de utilizacionen proyectos de investigacion posteriores para realizacion de experimentoscon otros tipos de biomasa y otros materiales que puedan ser transforma-dos termo-quımicamente. Ampliando los horizontes que pueda obtener esteproyecto se encuentra tambien el estudio de la gasificacion cuyo proceso, sim-ilar a la pirolisis, pero en presencia de cantidades limitadas de aire, agua uoxıgeno y cuyo resultado son productos solidos, lıquidos y gaseosos diferentes.

5. CINETICA DE REACCION

La cinetica de reaccion esta relacionada con la rapidez de una reaccionquımica y con el estudio de los factores que la determinan tales como lanaturaleza de los reactivos o productos, concentracion de los elementos quereaccionan, el efecto de la temperatura, la naturaleza del medio de reacciony la presencia de agentes catalıticos [46].

Para entender los diferentes pasos o procesos elementales por medio de loscuales los reactivos se convierten en productos, se deben estudiar los mecan-ismos de reaccion. Estos, se definen como una serie de pasos elementales atraves de los cuales los reactivos se convierten en el producto deseado. Unavez conocido el mecanismo de reaccion, es decir una vez generado el mode-lo que describe su cinetica, se pueden encontrar y controlar las condicionesoptimas para la reaccion para ası obtener una mayor eficiencia en el proceso.Hay que anotar que el mecanismo de una reaccion representa una hipotesisde lo que se cree sucede a nivel molecular.

5.1. Velocidad de reaccion

La velocidad de reaccion se refiere al cambio en concentracion de unreactivo o de un producto en un intervalo de tiempo determinado dentro deesta [43]. La velocidad de reaccion depende de factores como la concentracionde los reactivos, la presion, la temperatura donde se lleva a cavo la reacciony el area superficial de los reactivos.

Cuando la concentracion de los reactantes disminuye, tambien lo hacela velocidad de reaccion y a su vez cuando esta se incrementa a medidaque aumenta la temperatura. En la siguiente figura se puede observar estadependencia, se tiene en el eje vertical la constante de velocidad, la cual esuna medida de la velocidad de reaccion que depende de la concentracion delos reactivos y en el eje horizontal se tiene la temperatura. Como se puedeobservar en el comportamiento de esta grafica, la temperatura hace que la

5. Cinetica de Reaccion 74

constante de velocidad y por lo tanto la velocidad de reaccion aumente. El

Fig. 5.1: Velocidad de reaccion y la temperatura[43]

comportamiento observado en la grafica anterior puede tener una explicacionen la ”Teorıa Cinetica de los Gases”formulada en 1888 por el quımico SvanteArrhenius. En esta teorıa se plantea que la energıa promedio de la moleculasaumenta a medida que la lo hace la temperatura, haciendo que la velocidad delas reacciones aumente. Esto sugiere que la energıa cinetica de la partıculasinvolucradas en una reaccion, tienen un relacion directa en la rapidez conla que estas reaccionan. Sumado a esto Arrhenius sugiere que las moleculasdeben tener una cantidad minima de energıa cinetica para generar un nuevoenlace durante un reaccion quımica.

5.1.1. Parametros Cineticos y Ecuacion de Arrhenius

Segun Arrhenius, la mayor parte de la reacciones aumentan su velocidadcon el aumento de la temperatura, cuya dependencia no se lineal y se puede


modelar a travez de la siguiente ecuacion.

k = AeEa/RT (5.1)

Donde k representa la constante de velocidad, Ea la energıa de activacion,R la contante universal de los gases y T la temperatura absoluta. El factorde frecuencia A permanece invariable respecto al cambio de la temperaturay esta relacionado con la frecuencia y probabilidad de que ocurran colisionesintermoleculares.

La energia de activacion y el factor de frecuencia, representan los paramet-ros cineticos de una reaccion, los que a partir de a obtencion experimentalde la variacion de la masa respecto al tiempo, pueden ser hallados por mediode una regresion lineal de la siguiente ecuacion.

lnk = lnk − Ea

RT+ lna (5.2)

Es decir la regrecion, se hace a partir de la grafica ln(k) Vs 1T, como la que

se muestra a continuacion.

Fig. 5.2: Grafica ln(k) Vs 1T [43]


5.1.2. Concentracion de reactivos

Si ademas se tiene en cuenta que en un estado de equilibrio1, la presionqueda determinada por la temperatura y la composicion de la fase reaccio-nante, se puede obviar la influencia de este factor en la velocidad de reaccion,escribiendose como una multiplicacion de un factor dependiente de la tem-peratura y otro dependiente de la concentracion.[21][35].

ra = k(t)f(Ca) (5.3)

Donde el factor dependiente de la concentracion puede ser expersado como elproducto de las concentracion de cada uno de los elementos que intervienenen un reaccion de la siguiente forma.

f(Ca) = CaACb

B...CdD (5.4)

Los super indices a,b,...,d corresponden al orden de reaccion de cada uno delos componentes. El factor dependiente de la temperatura, puede ser expre-sado por medio de la ecuacion de Arrhenius. Finalmente, la ecuacion quedescribe la velocidad de reaccion quede escrita en la siguiente forma

ra = k0eE

RTCa

ACbB ...Cd

D (5.5)

En un proceso de pirolisis llevado a cavo en una termobalanza, no se conocela estructura molecular y por lo tanto la concentracion molar de los compo-nentres del material reaccionante es desconocida. Sin embargo a partir de losdatos suministrados por el equipo utilizado se puede realizar un analisis ci-netico considerando los valores de la masa de los componentes reaccionantesa cambio de su concentracion. Por lo tanto la ecuacion de la velocidad dereaccion es puede escribir asi [21]:

ra = k0eE

RTma

AmbB ...md

D (5.6)

Aqui los superindices a,b...d representan el orden de la reaccion.

5.2. Mecanismos de Reaccion

Existen diferentes metodos para modelar la velocidad de reaccion en unproceso de pirolisis, desde modelos que suponen una sola reaccion hasta los

1 El equilibrio es un estado dinamico en el que se mantienen iguales las velocidades dedos reacciones[44]


que suponen un numero infinito de estas. A continuacion se menionaran losque comunmente son usados.

5.2.1. Mecanismo de Reaccion Simple

Generalmente la pirolisis es descrita por diferentes autores como una sim-ple reaccion[45][47][35]:

Solidos → volatiles + cenizaDonde la velocidad del proceso depende de la cantidad de masa que ha

reaccionado, de la cantidad total de carbonizado y de la temperatura. La de-pendencia con la temperatura puede ser decrita por la ecuacion de Arrheniusde la siguietne forma.

dα

dt= Ae

ERT f(α) (5.7)

Donde, la energia de activacion y el factor preexponecial, se hallan de la formadescrita anteriormente. Un esquema que representa este tipo de reaccionesse presenta en la siguiente figura. Para este tipo de reacciones, se define

Fig. 5.3: Mecanismo de Reaccion Simple[21]

f(α) = (1− α)n[45], la cual representa la porcion de material libre a agua ycenizas que aun no ha reaccionado. Finalmente la ecuacion que describe lavelocidad del proceso se escribe de la siguietne forma:

dα

dt= Ae

ERT (1− α)n (5.8)


Generalmente α se define matematicamente asi:[45][35].

α =mo −mi

mo −mcarb

(5.9)

5.2.2. Mecanismo de 3 reacciones paralelas independientes

Las curvas obtenidas a partir de un analisis termogravimetrico, gen-eralemtne contienen ondulaciones que sugieren la existencia de mas de unareaccion, las cuales estan relacionadas con la descompocicion de los tres prin-cipales componentes de la biomasa, celulosa, hemicelulosa y lignina.

Esquematicamente, este tipo de reacciones se pueden representar asi En

Fig. 5.4: Mecanismo de reacciones paralelas independientes[21]

este tipo de reaccion supone que los reactantes involucrados son indepen-dientes, y por lo tanto asi lo son las reacciones relacionadas a cada uno deestos. Como en el mecanismo de reaccion simple (1 − αi), se define como elmaterial solido remanente para la reaccion i.

La etapa inicial ocurre en un rango de temperatura por debajo de 597K, la segunda y mas importante perdida de peso ocurre en el rango entre597 - 673 K. Estas dos etapas pueden asociarse tanto a la descomposicionde la hemicelulosa y la celulosa. La tercera reaccion, con una menor perdidade masa, aparece a temperaturas mayores de 700 K, correspondiendo a ladescompocicion de la lignina y la formacion de carbon[48].

Al suponer que las reacciones se producen en forma independiente, sepuede decir que la velocidad de cada una de estas y por lo tanto la velocidadde reaccion total, tienen un comportamiento similar al de un mecanismo dereaccion simple.


Teniendo en cuenta lo anterior, la velocidad total de reaccion puede serdecrita por la siguiente ecuacion [45][21][35].

r = −∑yi

d(1− α)

dt= −∑

yik0,ie−(

EiRT

)(1− α)n (5.10)

En la anterior ecuacion yi es la porcion de la masa total que participa encada una de las reacciones, por lo tanto la suma de estas debe ser iguala 1. Se ha encontrado que un valor de uno para el orden reaccion generauna buena aproximacion de a los resultados experimentales. Finalmente laecuacion anterior queda escrita de la siguiente forma.

rbiomasa = −3∑

i=1

yid(1− α)

dt= y1k0,1e

E1RT (1−α1)+y2k0,2e

E2RT (1−α2)+y3k0,3e

E3RT (1−α3)

(5.11)

5.2.3. Mecanismo de reacciones paralelas competitivas

Se diferencia del mecanismo anterior en que aqui se supone que los reac-tantes son comunes a todas las reacciones y por lo tanto estas compiten entresi para obtenerlos. La siguiente imagen es una buena representacion de estemodelo. Asi como en el mecanismo de reaccion simple, aqui se define la can-

Fig. 5.5: Mecanismo de reacciones paralelas competitivas[21]

tidad de material remanente como (1− α), pero en este caso α esta definidacomo se muestra en la siguiente imagen. Es decir α es como la fraccion dematerial que ha reaccionado y en este caso esta compuesta por la suma delas partes de reactante usado en cada una de las reaccciones (α1, α2yα3), estose constituye como la principal diferencia con los dos modelos anteriores.


Fig. 5.6: Representacion esquematica de un mecanismo de reaccionesparalelas competitivas [21]

Finalmente al hacer esta concideracion, se puede presentar la ecuaciongeneral de la variacion de la masa respecto al tiempo, segun este mecanismo[21][49].

d(1− α)

dt= −∑

yik0,ieEiRT (1− α) (5.12)

5.2.4. Mecanismo de reacciones paralelas infinitas

En este modelo se describe la pirolisis como un conjunto de infinito reac-ciones paralelas independientes. La siguiente figura es una representacion deeste mecanismo. Aqui la masa total remanente se describe teniendo en cuentauna distribucion Gausiana continua alredor del valor medio de la energia deactivacion Ea con una desviacion estandar σ y un factor preexponencial k0

igual para todas las racciones, mendiante la siguiente ecuacion[20]

(1− α) = 1− 1

σ(2π)

∫ ∞

−∞e∫∞−∞ k(E)dt

e−(E−E2)

2σ2 dE (5.13)

5.2.5. Mecanismos de multiples fases o Mecanismos Complejos.

Estos mecanismos generalmente representan modificaciones o mejoras quese han hecho por parte de diferentes investigadores a los modelos anteri-ormente expuestos. A continuacion se presentara una breve explicacion dealgunos de estos.


Fig. 5.7: Representacion esquematica de un mecanismo de reaccionesparalelas infinitas[21]

Bradbury

En este modelo se plantea que la descomposicion de la celulosa activa seda a partir de dos reacciones competitivas, y su velocidad esta relacionadacon la perdida de masa[50]. La primera es un proceso de despolimerizacion,el cual esta favorecido por la altas temperaturas y su producto final en sumayoria son volatiles. En la segunda reaccion se tiene la formacion de car-bonizado, dioxido de carbono y vapor. A continuacion se muestra un esquemadel mecanismo de pirolisis propuesto por Bradbury.

Fig. 5.8: Representacion esquematica del mecanismo propuesto porBradbury[50]

Piskorz

Piskorz propuso una version modificada del modelo de Bradbury, dondeen la face inicial del proceso se tienen dos reacciones competitivas, una bus-


cando la formacion de carbonizado y la otra buscando la formacion de celu-losa activa. Posteriormente usando como reactivo comun la celulosa activa,se tienen dos reacciones a paritr de las cuales se tiene la fracmentacion y ladespolimerizacion de esta. A continuacion se muestra un esquema del mecan-ismo de pirolisis propuesto por Piskorz.

Fig. 5.9: Representacion esquematica del mecanismo propuesto porPiskorz[50]

6. OBTENCION DE PARAMETROS

En este capitulo se mostrara detalladamente la secuencia de pasos que sedebe seguir para analizar los resultados de un experimento tıpico de pirolisisen termobalanza, por medio del mecanismo de reacciones paralelas indepen-dientes. Los resultados obtenidos experimentalmente son:

La temperatura medida cada x segundos.

La masa medida en el mismo rango de tiempo que la temperatura.

Hay algunos elementos que se deben tener en cuenta antes de empezarun analisis de este tipo. El contenido de humedad y ceniza de la muestra,permitiran hallar los valores de la masa en base seca y libre de ceniza. Latasa de calentamiento permitira hacer algunas convenciones y simplificacionesconvenientes a lo largo del proceso que se explicara posteriormente.

6.1. Calculo de Parametros Cineticos

La cantidad de biomasa remanente que se encuentra en la probeta nopuede ser medida directamente en la termobalanza, ya que en el valor de lamasa registrada, se esta teniendo en cuenta una fraccion de pirolizado queya reacciono. En el caso de una reaccion irreversible, se puede calcular mBM

suponiendo que el carbonizado formado en todo momento, esta directamenterelacionado con

mcarb,final

mBM,O, de esta forma, la masa del carbonizado en cada

momento se responde a la siguiente ecuacion[35].

mcarb = (mBM,O −mBM,T )mcarb,f

mBM,O

(6.1)

Como una forma de simplificar los calculos, la cantidad de masa que aunno ha reaccionado se normaliza respecto a la que ya lo hizo segun la siguienteecuacion:

wBN =mBN

mBN,O

=mwaf −mcarb,f

mBM,O −mcarb,f

(6.2)

6. Obtencion de Parametros 84

Donde mcarb,f es la masa de carbonizado final y se considera constante du-rante la prueba. Para tener una base sobre la cual se puedan realizar loscalculos de los parametros cineticos se procede a usar la ecuacion defini-da en el capitulo anterior para el tipo de mecanismo de reaccion usado, lacual se escribe de la siguiente forma teniendo en cuenta que la velocidad decalentamiento se define como dT

dt.

rBM =dwBN

dt=

dT

dt

dwBN

dT= −

3∑

i=1

yik0,ieEiRT wBN (6.3)

Para resultados que tengan un comportamiento tıpico con tres picos se debeproceder de la siguiente forma, aunque cuando los resultados tienen un com-portamiento de u o dos picos este metodo puede ser aplicado.

1. El analisis debe empezar por el tercer pico, el cual solo se ve afectadopor la reaccion 3, esto debido a que las otras dos reacciones ocurren atemperaturas menores. Por lo tanto se supone que wBM,1 = wBM,2 = 0

ydwBM,1

dt=

dwBM,2

dt= 0

2. Para la tercera reaccion se calcula, a partir de los valores experimen-tales, el valor del coeficiente dependiente de la temperatura.

k3(T ) = k0,3eEA,3RT = −dwBM/dt

wBN

(6.4)

3. Siguiendo con el procedimiento expuesto para la resolucion de la ecuacionde Arrhenius, se aplica logaritmo natural a cada lado de la ecuacion,obteniendose un relacion lineal entre ln(k3(T )) y 1

T.

ln(k3(T )) = ln(k0,3)− EA,3

R

1

T(6.5)

Como resultado de la interpolacion lineal de la grafica ln(k3(T )) Vs 1T,

entre la temperatura donde empieza la reaccion y donde alcanza su picomaximo, se tendra como resultado los valores de energıa de activacionEA,3 y el factor preexponencial k0,3.

4. Con los valores hallados en el punto anterior se calcula wBM,3 ydwBM,3

dt,

resolviendo la ecuacion diferencial planteada.


5. El porcentaje de masa y3 que participa en la reaccion se calcula a partirde la relacion entre el valor del pico medido y el valor del pico calculado.

6. Para la determinacion de los parametros de la segunda reaccion, sedeben restar los parametros hallados para la tercera reaccion a los val-ores medidos con el fin de definir a k2(T ). Para la primera reaccion,se deben restar los parametros hallados en la segunda y en la tercerareaccion, esto para definir a k1(T ).

6.1.1. Obtencion de parametros.

Al tener los datos experimentales preparados para su manipulacion seprocede a seguir los pasos para el calculo de los parametros cineticos de-scritos anteriormente. Se recomienda el uso de un software especializado, elcual permita hallar las derivadas la graficas obtenidas a partir de los datosregistrados en durante el experimento. En este caso en particular se uso laherramienta XACT.

1. Se empieza analizando la reaccion 3. Dentro de la preparacion de losdatos se debe hallar la perdida de masa normalizada wBN,0 duranteel proceso, suponiendo que la masa del carbonizado durante este esconstante e igual a su masa final.

2. Teniendo wBN,0, se procede a graficarla respecto a la temperatura abso-luta, para ası poder hallar la variacion de esta respecto a la temperaturadwBN,0

dT, es decir hallar la derivada de esta grafica. Para poder usar la

ecuacion descrita en el numeral 2 de la seccion anterior, se deben mul-tiplicar los datos que conforman

dwBN,0

dT, por la tasa de calentamiento

dTdt

y ası poder hallar la perdida en la masa normalizada respecto al

tiempodwBN,0

dt. Hay que ser muy cuidadosos con las unidades de tiem-

po usadas en la tasa de calentamiento. En la figura 6.1 se muestra elaspecto tıpico de la grafica de wBN,0 y de

dwBN,0

dt

Partiendo de los valores que conforman estas graficas, se procede ahallar el valor de k3(T ), como fue definido anteriormente.

k3(T ) = −dwBM/dt

wBN

(6.6)


Fig. 6.1: Comportamiento tıpico de las graficas de wBN,0 y de dwBN,0

dt

3. Teniendo el valor de k3(T ), se grafica ln(k3(T ))contra 1T, con el objetivo

de hacer un regresion lineal de la ecuacion 6-5. Esta regresion tienecomo objetivo hallar los parametros cineticos asociados a la reaccion3. El intervalo en el cual la regresion debe hacer, esta definido desde elinverso de la temperatura a la cual la reaccion alcanzo su pico maximohasta el inverso de la temperatura a la cual se inicio la reaccion. En estecaso el intervalo usado esta definido por los inversos 640K y 660K, loscuales corresponden respectivamente a la temperatura de inicio de lareaccion y la temperatura a la cual la reaccion alcanzo su pico maximo.La regresion lineal fue hecha con ayuda de XACT y esta arroja unaventana con los coeficientes a y b de una recta, siendo a el punto de cortecon el eje y y b la pendiente de esta, estos se relacionan directamentecon los parametros cineticos de la siguiente forma: k0,3 = ea y queEA,3 = −bR.

4. Teniendo los parametros cineticos, se puede hallar el comportamientode wBN,3 y de dwBM/dT , resolviendo la ecuacion diferencial 6-3. Eneste trabajo, se implemento el metodo de Runge Kutta para hallar lasolucion a esta. En la figura 6.2 muestra el resultado obtenido.


Fig. 6.2: Comparacion del resultado obtenido al resolver la ecuaciondiferencial mencionada para la tercera reaccion y la curva me-dida

Se puede dar el caso que el pico de la curva calculada este desviado enun rango de mas o menos 5 grados K respecto a la curva experimentalmedida. Para corregir esto se pueden variar un poco los parametroshallados en el numeral anterior teniendo en cuenta lo siguiente:

Al aumentar la energıa de activacion EA,3, el pico de la curva sedara a una temperatura mayor y la amplitud de la misma se veradisminuida.

Al disminuir el coeficiente preexponencial tambien lo hara la am-plitud del pico y este tendra su maximo a una temperatura mayor.

Si el pico se encuentra considerablemente desviado respecto a la curvaexperimental, se recomienda hacer la interpolacion sobre un rango difer-ente, ya que de aproximarse esta variando los parametros cineticos alazar, se puede cometer un error en el calculo de su valor. En este caso elvalor de los coeficientes son los siguientes: para EA,3 = 36,07[kJ/kmol]y para k0,3 = 0,509[Hz].

5. Como se puede ver en la figura anterior, existe una gran diferencia entrelos picos de las curvas graficadas. La relacion entre el valor de estos dospicos representa la fraccion de masa y3 que participa en esta reaccion.


Para los datos analizados en este caso y3 = 0,35. De esta forma lareaccion 3 queda completamente definida.

6. Para seguir con el analisis del segundo pico, se deben restar los valorescalculados para la reaccion 3, es decir que se deben restar los valoresde wBN,3 y de dwBM/dT multiplicados por y3 a wBN,0 y dwBM0/dTrespectivamente. Esto se hace con el objetivo de sacar la fraccion demasa que se uso en la reaccion 3. Como resultado de lo que aquı se haplanteado, se tiene wBN,0,2 y dwBM,0,2/dT que se constituyen como labase para realizar los calculos relacionados a la segunda reaccion.

7. Lo primero que se debe hacer es hallar k2(T ), de la misma forma quese hallo k3(T ). Entonces se define

k2(T ) =dwBM,0,2/dt

wBN,0,2

(6.7)

8. Para hallar los parametros cineticos de la reaccion 2, se debe haceruna regresion lineal sobre la ecuacion 6-5, teniendo en cuenta un nuevointervalo, el cual como en el caso anterior, esta definido por el inversode la temperatura a la cual la reaccion alcanza su maximo y el inversode la temperatura a la cual la reaccion empezo. En este caso para elanalisis de esta reaccion se tiene 585K como la temperatura de iniciode reaccion y 600K como la temperatura donde la reaccion alcanza sumaxima amplitud. Teniendo los coeficientes de la recta a y b y cono-ciendo su relacion con los parametros cineticos se tienen los siguientesresultados: para EA,2 = 267[kJ/kmol] y para k0,2 = 6,98x1020[Hz].

9. Al tener EA,2 y k0,2 se pueden calcular los valores parawBM,2

dty wBN,2,

resolviendo la ecuacion diferencial 6-3. En la Figura 6.3 se muestra ella solucion de esta ecuacion para la reaccion 2. Aquı tambien se puedepresentar una desviacion respecto a la curva experimental y se puedecorregir usando los parametros mencionados anteriormente. No sobrarecordar que si la desviacion es representativa, es mejor recalcular losparametros cineticos hasta que se ajusten a la curva experimental.

10. Al graficas los datos obtenidos en el numeral anterior con la grafica dela reaccion se puede hallar y2. Para el caso que esta siendo analizadoy2 = 0,41.


Fig. 6.3: Resultado obtenido al resolver la ecuacion diferencial menciona-da para la segunda reaccion

11. Para el analisis de la primera reaccion, se empieza restando los valoresde

wBM,2

dty

wBM,3

dta

wBM,0

dty los valores de wBN,2 y wBN,3 a wBN,0. Para

ası hallar los valores de wBN,0,1 y dwBM,0,1/dT , los cuales son la basepara realizar el analisis de la reaccion 1.

12. Partiendo de estos valores, se procede en la forma descrita anterior-mente para hallar el valor de los coeficientes EA,1 y k0,1 cuyos valoresen este caso son respectivamente 187[kJ/kmol] y 1,7x1017[Hz]. Con es-tos coeficientes se puede hallar la grafica del comportamiento calculadode la reaccion 1. Finalmente y1 = 0,29, este valor se halla de la mismaforma en que se calculo y2 y y3. De esta forma queda completamentecaracterizada la cinetica de reaccion de un proceso. A continuacion semuestra el resultado obtenido.

En la tabla 6.1 se consignan los valores obtenidos para la energıa de activaciony el coeficiente preexponencial para cada reaccion.

Finalmente en la figura 6.5 se muestra las velocidades de reaccion medidasy calculadas para el proceso analizado con una velocidad de calentamientode 3K/min


Fig. 6.4: Comparacion del resultado obtenido al resolver la ecuaciondiferencial mencionada para la primera reaccion y la curva me-dida

Tab. 6.1: Parametros Cineticos ObtenidosParametro Reaccion 1 Reaccion 2 Reaccion 3

k0[Hz] 0,509 6,98x1020 1,7x1017EA[kJ/kmol] 36.07 267 187

y[ %] 35 41 29


Fig. 6.5: Comparacion del resultado obtenido al resolver la ecuaciondiferencial mencionada para la primera reaccion y la curva me-dida

7. MANUAL DE FUNCIONAMIENTO

Con el objetivo de garantizar que los datos obtenidos a traves del soft-ware de adquisicion, sean precisos y confiables, hay que procurar que lascondiciones de montaje del equipo sean las adecuadas para tal fin. Antesde entrar a definir cuales son estas condiciones, se describira el equipo, suscomponentes, su adecuado manejo y se hara una descripcion detallada delensamble global del mismo.

7.1. Descripcion del equipo y sus componentes

En la Figura 7.1 se muestra la disposicion espacial de cada uno de loscomponentes de la termobalanza.

Cada numero corresponde a:

1. Bala de Nitrogeno.

2. Tablero de control de caudal.

3. Balanza digital.

4. Montaje termoelemento.

5. Horno.

6. Enfriador.

7. Valvula reguladora.

8. Cable RS232.

9. Tarjeta de adquisicion de datos.

10. Extractor.

7. Manual de funcionamiento 93

Fig. 7.1: Distribucion espacial del equipo.

11. Mangueras de suministro de nitrogeno.

12. Rotametro de caudal mayor.

13. Rotametro de caudal menor.

14. Computador.

En la Figura 7.2, se muestra un plano hachurado del Horno y del SistemaReactor-Crisoles en donde se llevan a cabo las reacciones.

7.1.1. Suministro de Nitrogeno

En este caso se tiene un suministro de Nitrogeno de 99.999% de purezao como se llama en el mercado, nitrogeno de ultra alta pureza (UHP). Estesuministro tiene como objetivo generar una atmosfera inerte y favorecer la


Fig. 7.2: Horno y Sistema Reactor-Crisoles

salida de los gases generados en el proceso para ası evitar al maximo laaparicion de reacciones secundarias.

Ya que la bala que contiene el nitrogeno maneja un presion de 2200 psi,se hace necesario disminuirla hasta 2 bar o 29 psi, por medio de una valvulareguladora ubicada a la salida de esta. El accionamiento de esta valvula essencillo, pero se debe ser muy cuidadoso, a continuacion se mencionaran lospasos a seguir:

1. Primero hay que asegurarse que la perilla de la valvula reguladora,mostrada en la figura 7.3 este abierta, es decir que esta se pueda sergirada en ambos sentidos sin restricciones, ası se garantiza que dichavalvula no permitira el paso de nitrogeno al sistema.

2. Se debe abrir la valvula de la bala de nitrogeno hasta una posicionintermedia.

3. Luego lentamente se debe girar la perilla de la valvula, en sentido ho-rario, hasta que en el manometro de salida se alcance la presion re-querida, en este caso 2 bar.


Fig. 7.3: Valvula reguladora.

Antes de entrar al reactor, el nitrogeno se debe pasar por un par derotametros, como el mostrado en la figura 7.4, con diferentes escalas1 quepermiten conocer el caudal usado en cada prueba, esto con el objetivo dedescribir la influencia que tiene la cantidad de hidrogeno presente en la reac-cion.

Fig. 7.4: Rotametro para el suministro de nitrogeno.

Para hacer una conversion rapida de pie3/hora a litros/min, el valormedido se debe multiplicar por 0.42. Al abrir el suministro de nitrogeno, hayque verificar que la valvula de bola que se encuentra antes de cada rotametrose encuentren cerradas, de no ser ası, el indicador se golpeara con la partesuperior del rotametro, alterando su forma y por lo tanto su medicion.


Fig. 7.5: Balanza Digital

7.1.2. Balanza Digital

Esta se encuentra ubicada en la parte superior de la estructura y estaencargada de la medir y enviar informacion al computador sobre la perdidade masa durante las pruebas. Para que la mediciones tomadas por este equiposean confiables, esta, debe estar perfectamente nivelada respecto al piso. Paralograr esta condicion, la balanza, mostrada en la figura 7.6, esta equipada conun indicador de nivel y dos patas niveladoras ubicadas en la parte posteriorde esta.

Debido a que su objetivo es medir la perdida de masa durante las prue-bas, se hace necesario el uso del Gancho para pesaje desde abajo, al cual elportaprobetas se une mediante una cadena.

1 De 0 a 3 pie3/hora para el de menor caudal y de 0 a 5 pie3/hora, para el de menorcaudal


Fig. 7.6: Verificacion del nivel de la balanza[51].

Ajuste de parametros de comunicacion[51]

Estos parametros de deben ser los iguales a los usados en la hyperterminal.La salida y entrada de informacion en la balanza se hace por medio de unpuerto serial, por lo cual se hace necesario el uso conversor RS232 USB.

Ajuste de la velocidad de transmision: estando la balanza apagada,pulse > O/T < hasta que de visualice db2400. Pulsando el boton ModeOff , se puede seleccionar velocidades de transmision de 600, 1200,2400, 4800 o 9600. Una vez seleccionada la velocidad de transmisionadecuada para el sistema, pulse > O/T < y la pantalla pasara a PARno (Paridad).

Ajuste de Paridad: Pulse varias veces Mode Off , para seleccionar odd(Impar) o E (Par). Una vez seleccionado el parametro deseado, pulsenuevamente > O/T < y ası la pantalla avanzara a DATA 7.

Ajuste de Datos: Para escoger entre DATA 7 y DATA 8, se debe pulsarel boton Mode Off . Una vez seleccionado el parametro deseado, pulse> O/T < y la pantalla avanzara a STOP 2.

Ajuste de Bit de Parada: Si presiona Mode Off , se puede seleccionarSTOP 1 o STOP 2. Finalmente se debe pulsar > O/T < y la pantallaavanzara a STBL ON


Ajuste de Modos de Impresion: Esta balanza da la posibilidad al usuariode imprimir manualmente solo los datos estables o todos los datosSTBL ON/OFF , cualquier momento; para ello se debe pulsar el botonPrint o imprimir las lecturas estables automaticamente AUTO ON/OFF .El valor predeterminado para lecturas estables automaticas es OFF .Solo puede ajustarse uno de estos datos a la vez. Si se quiere obten-er una informacion mas detallada, se debera consultar el manual defuncionamiento de este equipo

7.1.3. Horno

Se trata de un Horno Mufla circular para laboratorio, modelo Arting,referencia H.M.C-C1L, serie HMC-C1L, acompanado por un control PLCque permite programarlo para cumplir con los requerimientos de un procesode pirolisis. El fabricante recomienda tener en cuenta los siguientes aspectosal momento de conectar el horno a la red [?]:

Para su correcto funcionamiento, el equipo debe conectarse a una fuentede corriente alterna de 220 voltios, 60 Hz, provista de una linea a tierra.La toma de corriente para su conexion debe ser de mınimo 20 amperios.

El circuito al cual se va a conectar, debe contar con su respectiva pro-teccion electrica.

Se recomienda no conectar otro artefacto electrico al mismo circuitodel horno.

Manejo

En el tablero de operacion, programacion y control de temperatura delhorno, mostrado en la figura 7.7 se encontraran los siguientes elementos:

Interruptor general de operacion ON-OFF, (1).

Interruptor de operacion ON-OFF, identificado con HEAT (2), esteinterruptor debe estar encendido para iniciar el calentamiento.

Control de temperatura(3), mostrado en la figura 7.8 a traves del cualse realizara la programacion de los perfiles de temperatura requeridosy se monitoreara la temperatura.


Fig. 7.7: Tablero de control horno.

Programacion

Gracias al control de temperatura, el horno facilmente se puede seguir unperfil de temperatura programado. Para el caso de un proceso de pirolisis,este perfil esta conformado principalmente por cuatro etapas, mostradas enla figura 7.9 que seran descritas a continuacion:

1. Calentamiento hasta 106 grados Celsius, se recomienda que esta tem-peratura se alcance en 20 minutos para ası no sobrecargar el sistemadel horno.

2. Secado, el cual se logra manteniendo la temperatura de 379K durante1 hora y media.

3. Calentamiento hasta 1000 grados Celsius, con una rata de calentamien-to de 3K/min.

4. Se debe mantener la temperatura del paso anterior durante 15 minutos.

Para programar este perfil en el control del horno, se deben seguir lossiguientes pasos:

1. Encender el sistema de control del horno por medio del interruptor 1.

2. Mantener presionado el boton de avance (3) durante 4 segundos, deesta forma aparecera en el display la siguiente informacion: Si aparece


Fig. 7.8: Control de temperatura.

algun otro perfil, es decir P2, P3 o P4, se recomienda buscar P1 conlas teclas de navegacion 4 y 5.

3. Despues de fijar [P1], se debe pulsar una vez el boton de avance(3),de esta forma, en la parte inferior del display aparecera [P1] y en eldisplay superior se podra programar el paso No.1 del perfil 1. Luego sedebe pulsar una vez el boton de avance (3).

4. En el display inferior apareceran las letras [S.tY P ], Step Style. Pormedio de los botones de navegacion 4 y 5, se escogera en el displaysuperior la opcion [ti], time. Esta opcion permite definir un Set Point otemperatura objetivo y el tiempo en horas, minutos y segundos en losque se quiere que esta temperatura sea alcanzada. Despues de haberhallado [ti], se debe accionar el boton de avance (3).

5. En el display inferior, apareceran las letras [t9.PS] Set Point, que po-dra ser una temperatura entre 20 y 1100 grados Celsius, pulsando losbotones de navegacion. En este caso se programara la temperatura de106 grados Celsius. Se debe pulsar el boton de avance para ir al sigu-iente parametro.

6. En este paso se deben programar las horas los minutos y los segundos


Fig. 7.9: Programacion perfil No.1.

en los cuales se debe alcanzar la temperatura objetivo o Set Point.En el display inferior, mostrado en la figura 7.10, apareceran las letras[hoUr], con los botones de navegacion, se puede seleccionar un numerode horas entre 0 y 99 como maximo. En este caso se dejara, en 0 y seoprimira el boton de avance. Ahora en el display inferior apareceran lasletras [Min] donde se debe programar 20 y se debe oprimir de nuevoel boton de avance. Finalmente en el display inferior, se apareceran lasletras [SEC] donde se se debe programar 0 y se oprime el boton deavance.

Fig. 7.10: Programacion del parametro ti.

7. En el display inferior apareceran las letras [Ent1]. Por medio de losbotones de navegacion se escocera la opcion [oFF ] y para ir al siguiente


paso se debe oprimir el boton de avance. Ahora en el display inferior,apareceran las letras [Ent2], este de debe programar en forma similaral paso anterior y finalmente se de oprimir el boton de avance. De estaforma queda programado el primer paso del perfil 1 (P1).

8. Para programar el segundo paso del perfil se debe oprimir el botoninfinito (2). En este punto se debe escoger en el display superior el nu-mero 2 y oprimir el boton de avance. En el display inferior, apareceranlas letras [S.tY P ], con los botones de navegacion, se debera buscar laopcion [t1], seguido a esto se debe accionar el boton de avance. Enel display inferior apareceran las letras t9.SP donde se debe colocaruna temperatura de 107 grados Celsius y finalmente se debe oprimirel boton de avance. Aquı se debe programar el tiempo en que se debealcanzar esta temperatura el cual es de 1 y 30 minutos, se debe hacerde la misma forma descrita en el numeral 6. Despues de programar eltiempo en el cual se requiere alcanzar el Set Point, se deben seguir lodescrito en los numerales 7 y 8. Finalmente se debe oprimir el botoninfinito.

9. Ahora en el display superior se debe buscar el numero 3 para programarel tercer paso 3 del perfil de calentamiento y oprimir el boton de avance.Vease Figura 7.11 En el display inferior apareceran las letras S.tY P ,con ayuda de los botones de navegacion, se debe buscar en el displaysuperior la opcion [rAtE]. Esta opcion permite fijar el Set Point y latasa de calentamiento requeridos. Para seguir con el siguiente paso sedebe oprimir el boton de avance.

10. Como se dijo en el numeral 5, el Set Point se debe encontrar entre 20 y1100 grados Celsius. En este punto se programara un Set Point de 1000grados Celsius. Despues de oprimir el boton de avance, se debe fijar latasa de calentamiento en K/min, debe ser de 3K/min. Finalmente sedeben seguir lo descrito en los numerales 7 y 8 y seguido de esto oprimirel boton infinito. De esta forma queda programado el tercer paso en elperfil de temperatura.

11. Para programar el paso final del perfil, se deben seguir los pasos de-scritos en el punto 9, pero con un Set Point de 1001 grados Celsius yun tiempo de 15 minutos.


Fig. 7.11: Programacion del parametro rAtE.

De esta forma se tiene un programa que permitira al horno seguir el perfilde temperaturas como el descrito anteriormente. Para cargar el programa, sedeben seguir los siguientes pasos

1. Presionar el boton avance en repetidas ocasiones hasta que en el displayinferior aparezcan las letras P.StI.

2. Presionado los botones de navegacion se debe seleccionar el paso en elcual se quiere iniciar el programa, para el caso descrito se debe escojerel 1.

3. Se debe presionar el boton avance hasta que en el display inferioraparezcan las letras P.ACI y con los botones de navegacion se debebuscar la opcion ProF en el display superior, finalmente se debe pre-sionar el boton de avance iniciandose asi al prefil que se programo.

Despues de seguir los pasos descritos en esta seccion, el horno seguira elperfil que se muestra en la figura 7.12.

En dicha Figura se se puede observar la temperatura del horno TH, elSet Point del controlador SP y la temperatura de la muestra TM.


Fig. 7.12: Perfil de temperatura con una tasa de calentamiento de10K/min.

7.1.4. Reactor

El cual esta hecho de vidrio de cuarzo, que gracias a sus caracterısticasestructurales es capaz de resistir temperaturas mayores a los 1000 gradosCelsius, sin ningun problema. Esta conformado por:

Tubo principal, no se desmontara despues del armado del equipo amenos que se requiera.

Tubo interno, dentro del cual se aloja el tubo portaprobetas y el por-taprobetas. Este se tiene que extraera cada vez que se requiera cambiarla muestra que se va a ser analizada.

Tubo portaprobetas y portaprobetas. El tubo portaprobetas brinda unsoporte al portaprobetas, el cual esta acoplado al termoelemento y a labalanza por medio de un acople especial, ver termoelemento.

Los planos del reactor se encuentran en el Anexo ???


7.1.5. Termoelemento

Debido a que las senales que provee este tipo de dispositivos tiene uncaracter variable, se hace necesario el uso de un sistema de adquisicion dedatos especializado para tal uso. Este sistema puede estar conformado sen-cillamente por una tarjeta de adquisicion especializada para termocuplas oun montaje electronico, encargado de reducir el ruido propio de este tipode senales para ası ser enviado a una tarjeta de adquisicion corriente. En lasiguiente seccion se explicara a fondo este tema. Como se dijo en la seccionanterior, la fijacion del termoelemento esta directamente relacionada con eltubo portaprobetas, esto se debe a que la punta del termoelemento debequedar a la altura media de la muestra que se esta analizando. Con el fin degarantizar esta condicion, se usa el acople que se muestra en la Figura 7.13.

Fig. 7.13: Acople entre el termoelemento y el tubo portaprobetas.


Fig. 7.14: Aspecto general del panel frontal.

7.1.6. Sistema de adquisicion de datos

Con el uso del sistema de adquisicion de datos de busca explotar al maxi-mo las capacidades de la balanza y el termoelemento. Como se describio elnumeral 7.1.2, y como se observa en la Figura 7.14, la salida de datos dela balanza se hace por medio de un puerto serial, el cual se debe conectarusando un cable RS232 a un puerto USB del computador. Por otro lado, eltermoelemento se conecta al computador a traves de una tarjeta de adquisi-cion de datos especial para tal fin. Para entender un mejor la disposicion delsistema se aconseja ver la figura 7.1

Descripcion

El sistema de adquisicion de datos que se usa en este equipo, es el pro-ducto del proyecto final para la materia Sensores y Actuadores elaboradopor un grupo de estudiantes de Ingenierıa Mecatronica [52]. El sistema, fuedesarrollado en el programa de National Instruments LabVIEW 8.2.

Su permite la visualizacion en tiempo real de las variables principales


relacionadas al proceso como lo son la masa y temperatura de la muestra.Ademas se genera un archivo excel, en la misma carpeta que se encuentrael programa, en donde se consignan todos las mediciones realizadas. En laseccion 7.3. se describe como poner en marcha el programa.

7.1.7. Enfriador y extractor de gases.

En la parte inferior de la termobalanza, se tiene un enfriador conectadoa la parte inferior del tubo principal del reactor. Este consiste de un matrazcon el objetivo de disminuir la temperatura y filtrar los gases que se generanen el proceso. El extractor de gases, consiste un ventilador de computadorde una pulgada y media de diametro, debidamente calibrado y acoplado a lalinea de extraccion de gases.

7.1.8. Gancho de sujecion del crisol pequeno

No constituye una parte fundamental del funcionamiento de la termobal-anza, sera muy util en la fase se ensamble del equipo y como mecanismo paraliberar el peso en la balanza, cuando el equipo no se este usando.

7.2. Ensamble del equipo

Ya que el equipo, puede estar sujeto a diferentes cambios, montajes ydesmontajes, se hace necesaria la documentacion de cada uno de los pasosque se deben seguir lograr un correcto funcionamiento de este.

A continuacion se describe secuencia de pasos de ensamble:

1. Aunque no representa un elemento movil del equipo, es importanteverificar que el movimiento de la estructura respecto al piso sea nulo yque su nivelacion sea optima.

2. Suministro de nitrogeno: El sistema esta conformado en su mayorıaacoples rapidos, como los mostrados en la figura 7.15, los cuales facilitanel montaje y desmontaje de los elementos que lo conforman como lasvalvulas y rotametros, y garantizan un sello capaz de resistir presionesde hasta 300psi. Para conectar las mangueras a los acoples es suficientecon introducirlas a estos y para desconectarlas hay que presionar elanillo azul de los acoples y halar la manguera.


Fig. 7.15: Acoples rapidos usados en los rotametros.

3. Montaje del horno: ya que el espacio destinado para el horno es el justo,este debe introducirse en la estructura con especial cuidado y una vezintroducido se hace necesario verificar la nivelacion y su alineamientorespecto al agujero de la lamina en la que descansa. Si la nivelacionresulta ser deficiente, debe revisarse es estado de los apoyos de cauchodel horno y el estado de la lamina en la que este descansa.

4. Cruz de centrado: Esta va en la parte intermedia de la estructura, comose ve en la Figura 7.16 sobre la cara superior del horno y tiene comoobjetivo ayudar a centrar el reactor respecto a los demas componentesde la termobalanza principalmente respecto a la estructura. Con el finde permitir un cierto grado de dilatacion termica, se debe garantizaruna holgura minima de 2mm entre esta y el horno.

5. Montaje de reactor I: el reactor consta de 3 piezas, ver seccion 7.1.4, eneste paso se procedera a describir el montaje de solo una de ellas. Lalamina superior, donde descansara la balanza, debe ser parcialmente


Fig. 7.16: Cruz de centrado y conexion del reactor al suministro de ni-trogeno.

o totalmente removida para que el tubo principal del reactor puedaser instalado. Este proceso se debe llevar a cabo con especial cuidadoya que el elemento debe ser introducido dentro del horno y su parteinferior debe salir por el agujero de la lamina en la cual este descansa.Una vez montado este elemento, se procede a sujetarlo con la cruz decentrado y a la linea de alto caudal del suministro de nitrogeno comose muestra en la imagen anterior.

6. Montaje de la balanza: se recomienda nivelar la balanza antes de lle-varla a su posicion final. Este paso se constituye como uno de los masimportantes ya que todos los componentes del equipo, se alinearanrespecto a la balanza. La balanza debe ser ubicada en la parte supe-rior de la estructura y del gancho inferior de esta se debe colgar una


”Plomada”2, para ası tener una referencia y poder alinear respecto aesta la balanza, el horno y el tubo principal de reactor. Generalmentehabra que desplazar alguno de los componentes anteriormente men-cionados, se sugiere que se empiece con la balanza, luego variando laposicion de los tornillos de la cruz de centrado y si aun no se ha logra-do alinear satisfactoriamente los componentes, se recomienda ser muycuidadoso al mover el horno ya que en esta operacion se puede llegar aquebrar el reactor.

7. Montaje de reactor II: Teniendo los componentes principales del equipodebidamente centrados, se procede a montar las dos partes restantesdel reactor, el tubo interno, el tubo portaprobetas y el portaprobetascon su respectiva muestra si el objetivo del montaje es hacer un exper-imento despues de completar el montaje. En el montaje de esta partedel reactor pueden presentarse varios inconvenientes, por lo tanto serecomienda colocar el gancho de ropa que en la parte superior del tuboportaprobetas para evitar que este se deslice dentro del horno. Aquı, eltubo medio del reactor debe conectarse al suministro de nitrogeno queproviene del rotametro de menor caudal.

8. Acople termoelemento - tubo portaprobetas.

Como se puede observa en la seccion 7.1.5, el termoelemento va mon-tado en un acople que permite que este sea ensamblado con el tuboportaprobetas y este ensamble a su vez debe ir colgado de la balanza.El termoelemento forma una sola pieza con el acople, esta pieza debeser introducida en el tubo portaprobetas, evitando al maximo doblarel cuerpo del termoelemento como se observa en la Figura 7.17.

Una vez introducido el termoelemento, se procede a ensamblar en tubocon el acople que acompana al termoelemento, para esto se introduce eltubo dentro del acople y se asegura por medio de un pasador. Despuesque acople sea colgado de la balanza, cuidandose de ejercer una cargamuy brusca, se deben ubicar los alambres que completan el circuitodel termoelemento, como se ven el la siguiente imagen. Las tuercas quecuelgan de los alambres son usadas para garantizar que el contactoentre los cables y los ganchos de bronce sea siempre optimo.

2 Una plomada es una pesa normalmente de metal de forma conica, que mediante unacuerda de la cual pende marca una linea vertical


Fig. 7.17: Circuito del termoelemento.

9. Despues de haber ensamblado la mayorıa de componentes de la ter-mobalanza, la salida del tubo principal del reactor se debe conectar alenfriador y este a su vez al extractor de gases. Los acoples de cada unode estos competentes se debe hacer por medio de mangueras de siliconapara garantizar la ausencia de fugas.

10. Conexion del sistema de adquisicion de datos: despues de tener todo ensu sitio, se procede a conectar el termoelemento a la tarjeta de adquisi-cion de datos y esa a su vez a computador. Tambien se debe conectar elextremo serial del cable o adaptador RS232 a la balanza y en su extremoUSB se debe acoplar un cable de extension USB para ası lograr llevarla informacion al computador. Al encender el computador, lo primeroque se debe hacer es configurar la hyperterminal con los parametros decomunicacion definidos en la seccion 7.1.2., posteriormente se debe ini-ciar el programa de adquisicion de datos en LabVIEW, y sincronizar labalanza con este. Finalmente se debe conectar la fuente de alimentaciondel horno y de esta forma esta listo el equipo para ser usado.


11. Se recomienda que al tiempo de terminar la prueba y solo cuando elreactor este frıo se ubique el gancho de sujecion y se quite la cadena delacople que une el termoelemento con la balanza, tal como se muestra enla Figura 7.18, esto con el fin de quitarle la carga a la balanza cuandola Termobalanza no esta funcionando.

Fig. 7.18: Ubicacion del Gancho de Sujecion para el estado de NO fun-cionamiento de la Termobalanza.

7.3. Puesta en marcha del equipo

Se partira del hecho que la probeta que se va analizar se encuentra mon-tada y que el equipo se encuentra correctamente ensamblado, segun las in-strucciones descritas en la seccion anterior.

Primero se debe verificar el funcionamiento del sistema de adquisicion dedatos, para esto se deben seguir lo siguientes pasos:

1. Prender la balanza y conectarla al computador por medio de un puertoUSB.

2. Despues de abrir el archivo en Lab View se debe verificar el nombre delpuerto al cual esta conectada la balanza. Para esto se debe ir al Panel de


Control y hacer click en el icono Sistema, en la ventana que de desplego,se debe buscar la pestana Hardware y hacer click en Administradorde Dispositivos, el cual se muestra en la Figura 7.19. En la ventanaque de despliega, se encuentran todos los dispositivos conectados alcomputador, se debe buscar la seccion Puertos COM & LPT, en elmenu desplegable, revisar el nombre del puerto que se encuentra activo,el cual corresponde al puerto usado por la balanza.

Fig. 7.19: Administrador de dispositivos.

3. Despues de verificar el nombre del puerto usado por la balanza, enel panel frontal del programa se debe escoger en el menu Puerto deConexion el nombre del puerto en la ventana que muestra la Figura7.20.

4. En el diagrama de bloques se debe hacer doble click en el DAQ Assis-tant, esto hara que se despliegue la ventana DAQ Assistant, mostrada


Fig. 7.20: Puerto de conexion, panel frontal.

en la Figura 7.21, en la zona Thermocouple Setup en la pestana De-vice se debe escoger el tipo de dispositivo que se usa para acoplar latermocupla al computador. En la pestana Settings se debe configura eltipo de termoelemento, el rango y la escala en la cual se quiere medirla temperatura.

5. Se debe verificar el programa en el horno, esto se logra oprimiendoel boton de avance durante unos segundo, hasta que en le menu in-ferior aparezcan las letras ProF , luego se debe accionar este botonnuevamente, de esta forma aparecera en el menu superior 1 y en elmenu inferior P1. Oprimiendo el boton de avance se pueden verificarlos parametros programados para el primer paso del perfil 1. Para ob-servar la programacion de los demas pasos del perfil se debe oprimir elboton infinito y con los botones de navegacion escoger el paso del perfilrequerido.

6. Antes de corres el programa en el horno, se deben verificar que lascondiciones del suministro de nitrogeno, la alineacion de todos los com-ponentes y el ventilador se encuentren deacuerdo a lo establecido en laseccion anterior.

7. Finalmente se debe correr el programa del horno y el de adquisicional mismo tiempo. El programa del horno se corre en la forma descrita


Fig. 7.21: Thermocouple Setup, Diagrama de bloques.

en la descripcion de su funcionamiento, mientras que para programade adquisicion se hacer click en el boton RUN, ubicado en la esquinasuperior izquierda de la pantalla. Hay que esperar unos segundos antesque en la pantalla del computador se registre el primer dato, de estaforma se puede empegar con la prueba.

8. ANALISIS DE RESULTADOS EXPERIMENTALES

En este capitulo se analizaran los resultados obtenidos a partir de losprimeros experimentos realizados en la termobalanza, estos analisis fueronhechos siguiendo los pasos descritos en el capitulo 6, es decir, se aplicara elmodelo de reacciones paralelas independientes y por lo tanto no se inver-tira tiempo en explicar a fondo este proceso.

8.1. Descripcion de las Materia primas

Los experimentos de termogravimetrıa se realizaron utilizando algunosresiduos agroindustriales comunes en el paıs, estos son:

8.1.1. Cascarilla de Arroz

La planta de arroz, cientıficamente denominada Orizac sativa y pertenecientea la familia de las gramıneas, esta constituida por cuatro componentes prin-cipales [38]:

El germen, la parte mas rica en nutrientes, acidos grasos, aminoacidosy enzimas, y que se constituye en la parte germinal que da lugar alcrecimiento del grano.

El endospermo, que representa alrededor del 70% del volumen del granoy constituye al final del proceso el producto denominado arroz blanco

La cutıcula o polvillo, el cual alcanza un 6.8% en volumen en el granode arroz, utilizado como alimento para animales por su alto contenidode grasas

La cascara o pajilla, que constituye aproximadamente 20% en peso delgrano y que es separado en el proceso de pilado formandose verdaderasmontanas de cascarilla al costado de los molinos, lo que ocasiona prob-lemas de espacio por la acumulacion de este desecho.

8. Analisis de Resultados experimentales 117

Normalmente, la cascarilla se incinera para reducir su volumen generandohumos contaminantes. Como combustible genera calor, debido a su valorcalorıfico (aproximadamente 16720 kJ/kg)

8.1.2. Cascarilla de cafe

El cafe se cultiva en toda la region andina y, en especial, en extensas zonasdel occidente colombiano como son los departamentos de Quindıo, Risaralda,Caldas y Antioquia. Su produccion ha sido una de las mas grandes entre losproductos agrıcolas cultivados en el paıs. La cascarilla de cafe, desechada enlas trilladoras despues de que el cafe ha sido secado y trillado, tiene algunosusos marginales; en las zonas productoras, por ejemplo, se quema para evitarlas heladas que afectan a los cultivos. Sin embargo, la mayor parte de lacascarilla de cafe no esta siendo aprovechada; la generacion de energıa es,entonces, una buena opcion para darle utilizacion.La composicion de los frutos del cafeto esta distribuida en la forma:

100 kg de Frutos maduros del cafe corresponden a 39 kg de pulpa fresca,22 kg de mucılago y 39 kg de cafe pergamino humedo.

100 kg de Cafe Pergamino Humedo corresponden a 54 kg de cafe com-ercial seco, 21 kg de humedad y 25 kg de Cascarilla.

se estima que en los anos 1999 y 2000 se producieron 4’280.400 Toneladas deFruto fresco de cafe, de las cuales 1’699.356 Toneladas fueron de Cafe PergaminoHumedo creando con esto 417.339 Toneladas de Cascarilla [37].

8.1.3. Madera de SAJO

Pertenece a la familia de las Anacardiaceae, es una de las que registra enColombia una demanda importante a la hora de fabricar muebles, productosmoldurados o piezas de carpinterıa, gracias a su intenso lustre y su exce-lente versatilidad a nivel de usos. La especie recibe comercialmente diversosnombres como Sajo, Orey y Vaquera en Colombia; Sajo en Ecuador; Oreyen Brasil y Costa Rica; Aures y Hoary en Panama y Orey Wood en EstadosUnidos.

Su distribucion es moderadamente amplia hallandose en America Cen-tral y Suramerica, desde Nicaragua y Costa Rica hasta Panama, Brasil y


Ecuador. En Colombia especıficamente, se distribuye en la region pacıfica:delta de rıo Atrato, rıo Baudo, Serranıas de San Lucas, Quibdo, Condoto,Bajo Calima, Buenaventura, las vegas del rıo Leon y las desembocaduras delos rıos San Juan y Mataje.

Esta crece en asociaciones vegetales propias y puras llamadas Sajales hal-lados especıficamente en terrenos inundados por agua dulce de la llanura delpacıfico colombiano. Dichas area son un subtipo de bosque de la asociacionguandal que pueden admitir especies distintas al Sajo como el Cuangare(Dyalianthera spp) y el Sande (Brosium utile) alcanzando extensiones im-portantes.

A nivel del arbol, este posee raıces bajas, agudas y redondas, crece entre12 y 18 metros de altura, abarca una longitud comercial de 10 a 12 metros ysu rango de diametro a la altura del pecho va de 40 a 60 centımetros. Su fustebien formado, recto, cilındrico y dorado presenta una corteza de aparienciaescamosa y color cafe grisaceo con leves fisuras, mientras que en su interior,la corteza presenta tonos rosados a rojizos veteados, textura arenosa y saborastringente. Las flores son pequenas de color amarillo, el fruto es una drupaen forma de ovoide y las hojas, que al final de su ciclo de vida se tornananaranjadas, son simples, alternas y en forma de espatula.

La Madera no posee color ni sabor caracterısticos, presenta color rosadogrisaceo - en ocasiones se torna blanco grisaceo- con tinte amarillo, granorecto, fina textura, veteado satinado poco pronunciado, alto lustre y exce-lente acabado.

Considerada como una madera muy liviana, tiene peso anhidro de 0.34gr/cm3, peso especıfico seca al aire de 037 - 048 y contraccion volumetricamoderada a baja (menor 4.3%), ası como bajos se suponen los valores de suresistencia mecanica, pues estos no se conocen realmente.

Como ventajas ofrece un rapido secado al aire (en cinco dıas se obtienenaltas reducciones de humedad), una tendencia mınima a rajarse o deformarsey excelente rendimiento en corte gracias a que su fibra es muy larga [36].


8.2. Pruebas de Caracterizacion

Para llevar a cavo un analisis termogravimetrico, se hicieron diferentespruebas con el objetivo de caracterizar las biomasas. Entre estas pruebas seencuentra al analisis de contenido de ceniza, de humedad, de material volatil ypoder calorıfico. Para la determinacion de estas propiedades se hace necesarioseguir los lineamientos establecidos en las normas emitidas y publicadas pororganizaciones de estandarizacion como la ISO (International Organizationfor Standardization) y la DIN (Deutsches Institut fur Normung.

A continuacion se muestra una breve descripcion de cada una de las prue-bas para la determinacion de las propiedades antes mencionadas, y para cadauna de las muestras se cumple un requerimiento de tamano establecido porlas normas el cual se muestra en la Tabla 8.1:

Tab. 8.1: Tamanos de partıcula para los tipos de biomasa con los que se trabajoTipo de Biomasa Biomasa Tamano de Partıcula

Cascarilla de Arroz Menor a 0.85 mmCascarilla de Cafe Menor a 0.85 mm

Madera Sajo Menor a 1.0 mm

8.2.1. Contenido de Humedad

El calculo del contenido de humedad se realizo con la ayuda de una Bal-anza de Humedad Modelo AMB50 Marca ADAM Equipment presente losLaboratorios de Ingenierıa Quımica y el cual cumple con los requisitos queexige la norma DIN 51718 o su norma equivalente: ISO 5068- 1983 en la de-terminacion de la humedad higroscopica de la dos (2) muestras de cada unade los tipos de Biomasa, resultando los valores mostrados en la Tabla 8.2.

8.2.2. Contenido de Ceniza

El Contenido de Ceniza se realizo siguiendo los lineamientos que presentala Norma DIN CEN/TS 14775, la cual aplica para diferentes tipos de biomasay especifica condiciones de velocidad de calentamiento, temperatura y tiempode sostenimiento para realizar la combustion controlada, obteniendo, como


Tab. 8.2: Contenido de Humedad para los tipos de biomasa con los que se trabajo

Tipo de Biomasa Contenido de Humedad (%)Cascarilla de Arroz 11.95Cascarilla de Cafe 11.0

Madera Sajo 15.97

un promedio de dos (2) muestras por cada biomasa, los datos mostrados enla Tabla 8.3:

Tab. 8.3: Contenido de Ceniza (A) para los tipos de biomasa con los que se trabajo

Tipo de Biomasa A base Humeda ( %) A base Seca ( %)Cascarilla de Arroz 17.21 19.54Cascarilla de Cafe 1.94 2.18

Madera Sajo 0.68 0.81

8.2.3. Contenido de Materia Volatil

Siguiendo los pasos que describe la Norma DIN 51720, con el impedimentoque dicha norma sujiere una temperatura de trabajo de 900 ◦C y el horno dellaboratorio solo llegaba hasta 760 ◦C. Se tienen entonces los datos mostradosen la Tabla 8.4:

Tab. 8.4: Contenido de Materia Volatil (F) para los tipos de biomasa con los quese trabajo

Tipo de Biomasa F(Base Humeda)(%) F(Base Seca)(%) F(BS Libre de Cenizas)(%)Cascarilla de Arroz 56.17 63.79 79.28Cascarilla de Cafe 68.88 77.39 79.11

Madera Sajo 72.87 86.72 87.43


8.2.4. Poder Calorıfico

Para esta prueba se sigue la norma DIN 51900, con base en la cual sedetermina el poder calorıfico superior utilizando una Bomba Calorimetricaencontrada en los Laboratorios de Ingenierıa Quımica en la Universidad Na-cional de Colombia, con un bano de agua. Para su determinacion se quemauna muestra del material bajo condiciones fijas. Durante esta combustionel cambio energetico aumenta la temperatura del calorımetro respecto a sutemperatura inicial. Con esta diferencia de temperaturas se puede calcularel poder calorıfico cuando la capacidad calorıfica del sistema es conocida yse tienen en cuenta las correcciones necesarias por presion y/o temperatura.Los resultado se muestran en la Tabla 8.5.

Tab. 8.5: Contenido de Humedad para los tipos de biomasa con los que se trabajo

Tipo de Biomasa Poder Calorıfico (J/g)Cascarilla de Arroz 18325.4Cascarilla de Cafe 17729.2

Madera Sajo 19884.3

8.3. Experimentos Realizados

A continuacion se mencionaran las variables y resultados relacionados acada uno de los experimento realizados.

8.3.1. Cascarilla de Arroz

Esta prueba fue realizada el dıa miercoles 10 de diciembre del ano 2008entre las 12:00 y 17:30 horas. Para este dıa el sistema de adquisicion de datosaun no se encontraba funcionando, por lo tanto los datos fueron tomadosmanualmente, con especial cuidado el la zona comprendida entre 473 y 723Kque se considera como la zona critica del proceso. El horno fue programa-do como fue descrito en la seccion 7.1.3. con un tiempo de secado de unahora y treinta minutos a una temperatura de 106, una tasa de calentamien-to de 3k/min hasta alcanzar los 1273K y un media hora de sostenimiento


a esta temperatura. La masa de la muestra usada en esta prueba fue de2,034gramos, la cantidad de carbonizado final fue de 0,5321gramos.

El suministro de nitrogeno se configuro con una presion a la salida de lavalvula reguladora de 2Bar, los rotametros, se configuraron de para entregarun caudal de 1, 5pie3/hora para el de caudal menor y 2, 5pie3/hora para elde caudal mayor. La presion inicial de la bala de nitrogeno fue de 2200Psi yla final de 1900Psi.

Las especificaciones de funcionamiento y condiciones de la prueba se en-cuentran resumidas en el respectivo protocolo de medicion. Los resultadosobtenidos se muestran en la Figura 8.1.

Fig. 8.1: Resultados medidos para la pirolisis de cascarilla de arroz

Los parametros de la cinetica de reaccion calculados para la Cascarilla deArroz se muestran en la tabla 8.6.

Con estos parametros, se estimo la velocidad de reaccion, la cual se mues-tra en la Figura 8.2:


Tab. 8.6: Parametros de reaccion para la pirolisis de Cascarilla de ArrozParametro Reaccion 1 Reaccion 2 Reaccion 3EA [1/s] 48.697 180.29 7.74

k0 [kJ/mol] 10.8 1,28x1014 4,42x104

y [ %] 27.56 47 27

8.3.2. Cascarilla de Cafe

Esta prueba fue realizada el dıa jueves 11 de diciembre de 2008 entrelas 16:30 y 23:00 horas. Como en el caso del experimento anterior, los datosfueron registrados a mano teniendo especial cuidado en la zona del procesocomprendida entre 473 y 723K. El horno fue programado en la forma descritaen la seccion 7.1.3. La masa al inicio del proceso fue de 2.0109 gramos y alfinal de este la masa de carbonizado final fue de 0,4121gramos.

El suministro de nitrogeno se configuro a una presion de salida igual a2bar, con caudales de 1.5 y 2.5 pies3/hora para los rotametros de bajo y altocaudal respectivamente.

Las especificaciones de funcionamiento y condiciones de la prueba se en-cuentran resumidas en el respectivo protocolo de medicion. Los resultadosobtenidos se muestran a continuacion.

Los parametros de la cinetica de reaccion calculados a partir de los datosobtenidos se consignan el la tabla 8.7.

Tab. 8.7: Parametros de reaccion para la pirolisis de Cascarilla de CafeParametro Reaccion 1 Reaccion 2 Reaccion 3EA [1/s] 48.697 180.29 7.74

k0 [kJ/mol] 10.8 1,28x1014 4,42x104

y [ %] 27.56 47 27

Con estos parametros, se estimo la velocidad de reaccion, la cual se mues-tra en la figura 8.4:


Fig. 8.2: Velocidad de reaccion calculada y medida para el proceso depirolisis de cascarilla de arroz

8.3.3. Madera de Sajo

Esta prueba fue realizada el dıa sabado 13 de diciembre de 2008 entre las10:00 y 17:00 horas. Como en los dos experimentos anteriores los datos fueronobtenidos a mano y el horno fue programado como se describio en la seccion7.1.3. Las condiciones de presion y caudal de suministro de nitrogeno son lasmismas que se usaron en las pruebas anteriores. Como se puede observar enla grafica de velocidad de reaccion obtenida, Figura 8.5 , solo se identificandos picos, lo cual es un comportamiento comun cuando se hace un procesode este tipo en la madera y por lo tanto el analisis matematico se basara enesta observacion.

8.3.4. Parametros Cineticos Obtenidos

A partir de los anteriores resultados de se obtuvieron los parametroscineticos mostrados en la tabla 8.8:


Fig. 8.3: Resultados medidos para la Cascarilla de Cafe

Tab. 8.8: Parametros de reaccion para la pirolisis de Madera de SajoParametro Reaccion 1 Reaccion 2EA [1/s] 1,34x108 8,65x1015

k0 [kJ/mol] 217.45 136.93y [ %] 19.7 62.4

En el analisis de los resultados anteriores, la suma de las fracciones demasa que involucradas en cada reaccion no llega a ser uno. Esto se puedepresentar por la accion de una reaccion antes del primer pico, la cual no seencuentra bien definida. Sin embargo a partir de los parametros hallados, sepuede hacer una aproximacion a la velocidad de reaccion, la cual se muestraen la Figura ??.


Fig. 8.4: Velocidad de reaccion calculada y medida para la pirolisis decascarilla de cafe.


Fig. 8.5: Velocidad de reaccion calculada y medida para la pirolisis deMadera de SAJO.

9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El manejo de los residuos organicos generados a partir de los procesosagroindustriales y el gran porcentaje de zonas no interconectadas a la redelectrica nacional, representan dos problematicas que pueden ser atacadascon el uso de este tipo de residuos con fuente de energıa. La termobalanza,que es el producto final este trabajo de grado permitira modelar y caracteri-zar las variables asociadas al proceso de pirolisis la nivel de laboratorio, conel objetivo final de llevar este proceso a nivel industrial y a partir de estegenerar energıa limpia en las regiones del pais donde se requiera. De aquı laimportancia de que los resultados obtenidos a partir del uso de este equiposean precisos y confiables.

El desarrollo de este trabajo ha permitido vislumbrar la forma en quela experimentacion a nivel de laboratorio y la creacion de modelos de com-portamiento involucran el desarrollo de una tecnologıa limpia como lo es elProcesamiento Termoquımico de la Biomasa y permitiran a futuro la car-acterizacion de ciertos residuos de la agroindustria colombiana permitiendola generacion de ciertos parametros que llevan a un escalamiento a nivel deplanta industrial como una alternativa importante de generacion energeticaen Colombia.

Al implementar el sistema de adquisicion de datos se facilita y se hacenconfiables los datos obtenidos en cada proceso y por lo tanto los parametrosde reaccion calculados a partir del analisis de ellos. El programa Lab Viewrepresenta una solucion relativamente sencilla cuando se requiere un sistemade las caracterısticas descritas.

Ya que los datos de cada prueba fueron registrados manualmente, es re-comendable hacerlas nuevamente con los parametros de funcionamiento anex-os en los protocolos de medicion, usando el sistema de adquisicion descritoen el capitulo 7. Esto con el fin de corroborar los datos obtenidos y si es el

9. Conclusiones y Recomendaciones 129

caso corregirlos.

La presencia de oxıgeno en la reaccion se evidencia por un comportamien-to descendiente en los resultados obtenidos en una determinada prueba. Co-mo metodo principal para lograr la condicion de ausencia de oxıgeno en elproceso se tiene el suministro de nitrogeno UHP y en menor medida el ex-tractor de gases. A partir de los resultados obtenidos se puede afirmar que lacalibracion de los parametros mencionados es optimo, aunque con el uso deun analizador de gases se podrıa hacer una mejor calibracion de los mismos.Hay que anotar que en la prueba de cascarilla de arroz, los resultados tienenun comportamiento descendiente al final de la prueba, a partir de esto no sepuede afirmar que los parametros escogidos son inadecuados para le proceso,esto se deja como punto de partida para los siguientes trabajos que sobre elequipo se haran.

A partir de las pruebas realizadas se puede observar que la velocidad dereaccion de cascarilla de cafe como la de arroz presentan los tres picos car-acterısticos, mientras que la velocidad de reaccion para la madera de sajopresenta tan solo dos picos. Seria una ejercicio interesante verificar los datosobtenidos manualmente usando el sistema de adquisicion de datos para com-probar si el comportamiento de la madera de sajo es propio de este tipo debiomasa o fue debido a una medicion en la cual no fue posible definir uno delos picos de la reaccion. Por otro lado, el modelo de reacciones independientesresulta conveniente para el modelamiento de este proceso.

Respecto al horno y la balanza, estos equipo presentan un funcionamientooptimo. El manejo del horno es sencillo y su control permite obtener un perfilde temperatura preciso que se ajusta a los requerimientos de las pruebas. Labalanza tiene la opcion se recibir un comando de impresion, el cual le ordenaenviar el dato medido al computador, sin embargo, esta funcion no pudo serconfigurada. Como solucion a lo anterior, se configura la balanza de maneraautomatica, de esta forma, cada vez que la variacion en su medicion es de 5decimas de miligramo envıa una lectura al computador, lo que se consideracomo una buena resolucion para llevar a cabo las pruebas.

Es de esperar entonces que los resultados de este trabajo, a la par de otrosproyectos realizados en conjunto y futuras investigaciones, permitan avanzar

9. Conclusiones y Recomendaciones 130

en la solucion de los problemas que motivaron esta investigacion, como loson la incorrecta disposicion de los residuos agroindustriales en Colombia, lacontaminacion generada por el uso de combustibles fosiles y la produccionde energıa electrica en zonas no interconectadas del territorio nacional.

APENDICE

A. ANEXO: PROTOCOLOS DE MEDICION

A. Anexo: Protocolos de Medicion 133

B. ANEXO: DIMENSIONAMIENTOREACTOR-TERMOBALANZA

C. ANEXO: INFORME - SISTEMA DE ADQUISICION DEDATOS

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tesis - termobalanza

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