Biomasa torrada como substituto de la madera

Heat Dried Biomass as a Wood Alternative

M. Pach
Universidad Politécnica de Catalunya, EUETIT, 08222 Terrassa, Barcelona,
08222 Terrasa, Barcelona, Spain.
R. Zanzi y E. Björnbom
Department of Chemical Engineering and Technology, Chemical Reaction Engineering,
Royal Institute of Technology (KTH), 100 44 Stockholm, Sweden.
Email: rolando@ket.kth.se


Resumen
Se presenta un trabajo sobre torrefacción de biomasa realizada en un reactor de laboratorio. El reactor tiene un diámetro de 0,04 m y un largo de 0,5 m. El mismo es calentado mediante resistencias eléctricas. Las biomasas utilizadas son dos tipos de maderas, abedul y pino, y bagazo de caña de azúcar. Se utilizan 3 temperaturas de tratamiento (230, 250 y 280 °C) y 3 tiempos de residencia (1, 2 y 3 h). Se estudia el efecto del tipo de biomasa utilizada, temperatura y tiempo de residencia, sobre las propiedades de los productos. Los productos obtenidos son caracterizados (contenido energético, humedad, cenizas y fracción volátil). Los productos gaseosos de la torrefacción son analizados. El tipo y composición de la biomasa influye en la distribución de los productos obtenidos. Durante la torrefacción ocurren cambios en las propiedades físicas y químicas de la biomasa. El contenido de carbón fijo y la densidad energética aumenta tanto con el tiempo y la temperatura, mientras que el rendimiento en peso del producto sólido disminuye. La biomasa torrada tiene propiedades hidrofóbicas y un mayor poder calorífico que la biomasa precursora.

Abstract
The paper presents a work on biomass heat drying, which was carried out in a laboratory reactor. The reactor has a diameter of 0,04 m and a length of 0,5 m. It is heated by means of electric resistances. The biomasses used are two types of wood, birch and pine, and sugar cane bagasse. 3 treatment temperatures are used (230, 250 and 280 °C) and 3 residence times (1, 2 and 3 h). The effect of the type of utilized biomass, temperature and residence time on the properties of the products is studied. The obtained products are characterized (energy contents, humidity, ashes and volatile fraction). The gas products of the heat drying are analyzed. The type and composition of biomass influences the distribution of the obtained products. During heat drying, changes take place in the physical and chemical estates of the biomass. The contents of fixed coal and the energy density increase with both time and the temperature while the yield in weight of the solid product diminishes. The heat-dried biomass has hydrophobic properties and a greater heating power than the predecessor biomass.

1. Introducción
La torrefacción es una alternativa para el mejoramiento de las propiedades de la biomasa como combustible. Consiste en un calentamiento lento de la biomasa en una atmósfera inerte, a una temperatura máxima de 300 °C [Fonseca et al, 1998]. Se produce un producto sólido uniforme con bajo contenido de humedad y alto poder calorífico comparado con la biomasa inicial.

El proceso puede llamarse pirólisis suave, con la formación de un producto sólido que retiene aproximadamente 70 % del peso inicial y de 80 a 90 % del poder calorífico inicial [Arcate, 2000].

La biomasa torrada puede sustituir al carbón vegetal en un gran número de aplicaciones como combustible para cocinas domésticas de leña, para calentamiento de residencias, producción de biomasa peletizada y en briquetas para uso comercial y doméstico [Bourgeois y Doat, 1985; Girard y Shah, 1991 y Battacharya et al, 1995]. La biomasa torrada puede ser usada como combustible en la industria. Con un intervalo entre 30 y 35 % de carbón fijo, la biomasa torrada es un excelente agente reductor [Girard y Shah, 1991]. La biomasa torrada puede ser mezclada con carbón mineral y quemada en una caldera de carbón mineral pulverizado. Una ventaja importante de la madera torrada, en comparación con la madera original, es su uniformidad. La madera torrada es un combustible producible, flexible y con óptimas propiedades de combustión y de transporte. Debido al bajo contenido de humedad de la madera torrada, la calidad del combustible es mejor y el costo del transporte menor. Las propiedades de la madera torrada deberían implicar un mejoramiento en la operación de los gasificadores, donde la estabilidad del proceso es importante [Bourgeois y Doat, 1985].

2. Método, materiales y reactor
En cada experimento se utilizan 65 g de biomasa. Se usa un flujo de nitrógeno de 5 L/h como gas inerte. Algunos experimentos son realizados también con un flujo de nitrógeno de 10 L/h, usando pino como materia prima. El reactor es calentado a la temperatura final elegida (230, 250 y 280 °C). La muestra es mantenida a la temperatura final durante un período determinado de tiempo (1, 2 y 3 h), luego se apagan los calentadores eléctricos. Después del tratamiento se deja enfriar el reactor. Antes de cada experimento se hacen circular 12 L de nitrógeno para evitar la presencia de oxígeno en el reactor.

El producto sólido torrado es pesado y caracterizado. Se estudia la influencia de las condiciones experimentales (temperatura, tiempo de residencia y flujo de gas inerte) sobre la distribución de los productos y sobre sus propiedades.

2.1. Biomasa
Dos tipos de madera, abedul y pino, y bagazo de caña de azúcar, son seleccionados como materia prima. El bagazo de caña de azúcar es el residuo sólido en los centrales azucareros después de la extracción de los jugos azucarados.
Las muestras de madera son primeramente molidas, tamizadas y separadas en fracciones. Las muestras de pino tienen un diámetro entre 1 y 3,2 mm, mientras que las de abedul tienen un tamaño de partícula entre 1,0 y 1,35 mm. Las muestras de bagazo no fueron tamizadas ni separadas en fracciones. La tabla 1 muestra el contenido de cenizas y humedad de las biomasas originales.


Tabla 1. Materias primas.
Biomasa
Cenizas
Humedad
-
p% lh
p%
Abedul
0.50
5.4
Pino
0.14
5.1
Bagazo
2.24
4.4

lh: libre de humedad.

2.2. Equipo
La figura 1 muestra el equipo utilizado en los experimentos. Incluye un reactor cilíndrico y un equipo para la condensación de los productos líquidos y medición de los productos gaseosos. El reactor (0,5 m de largo y 0,04 m de diámetro) es calentado por calentadores eléctricos. El reactor consiste en dos cilindros. La muestra se sitúa en el cilindro interior, el cual tiene una red metálica en la parte inferior. Dicho cilindro interior se puede sacar por arriba, de manera de poder retirar la biomasa torrada producida. La parte exterior está conectada mediante una rosca a un tubo metálico, a través del cual los volátiles son transportados al equipo de separación de productos líquidos. Los volátiles se enfrían en el condensador de agua. El gas pasa a través de una columna conteniendo algodón y pentóxido fosfórico como agente secante y luego es transportado a una bolsa. Luego el gas es analizado en un cromatógrafo de gases. Se analiza la concentración de CO2, H2, CO, N2, CH4, e hidrocarburos C2 (etano, eten y acetileno).

Figura 1. Equipo.

3. Resultados y discusión
3.1. Distribución de productos

La tabla 2 muestra el rendimiento de los productos obtenidos en los experimentos, así como el contenido de humedad y ceniza del producto sólido torrado.


Tabla 2. Distribución de productos a diferentes condiciones.

-
Condiciones torrefacción
Rendimiento de productos
-
-
Biomasa
T
Tiempo
Flujo N2
Sólido
Líquido
Gas
Ceniza
Humed.
-
°C
h
l/h
p% lhc
p% lhc
p% lhc
p% lh
p%
Abedul
230
2
5
86,9
11,5
1,6
0,60
1,66
Abedul
250
1
5
85,5
12,8
1,7
0,64
1,62
Abedul
250
2
5
85,0
12,9
2,1
0,65
1,56
Abedul
250
3
5
82,1
13,9
4,0
0,67
1,33
Abedul
280
2
5
68,9
26,3
4,8
0,75
1,30
Pino
230
1
5
92,4
7,0
0,6
0,15
2,13
Pino
230
2
5
90,4
8,9
0,7
0,16
2,03
Pino
230
3
5
86,7
11,7
1,6
0,16
1,56
Pino
250
1
5
88,2
10,8
1,0
0,16
1,90
Pino
250
2
5
85,4
13,1
1,5
0,16
1,80
Pino
250
3
5
83,3
14,4
2,3
0,17
1,56
Pino
280
1
5
78,1
19,8
2,1
0,18
0,80
Pino
280
2
5
72,1
23,2
4,7
0,20
0,61
Pino
280
3
5
69,0
25,7
5,3
0,21
0,51
Bagazo
230
1
5
87,5
9,9
2,6
2,41
2,50
Bagazo
230
2
5
85,0
10,0
5,0
2,66
2,23
Bagazo
230
3
5
83,7
10,3
6,0
2,46
2,00
Bagazo
250
1
5
78,9
10,7
10,4
2,84
1,95
Bagazo
250
2
5
77,5
10,9
11,6
2,89
1,69
Bagazo
250
3
5
75,4
12,6
12,0
2,97
1,63
Bagazo
280
1
5
68,6
18,5
12,9
3,27
1,81
Bagazo
280
2
5
64,7
20,5
14,8
3,46
1,68
Bagazo
280
3
5
63,8
21,0
15,2
3,51
1,02
Pino
230
1
10
92,1
7,3
0,6
0,15
1,69
Pino
230
2
10
90,3
9,0
0,7
0,15
1,53
Pino
230
3
10
89,2
9,4
1,4
0,16
1,38
Pino
250
1
10
87,1
11,2
1,7
0,16
1,21
Pino
250
2
10
85,3
13,0
1,7
0,16
0,93
Pino
250
3
10
83,5
14,4
2,1
0,17
0,90
Pino
280
1
10
77,3
19,6
3,1
0,18
0,79
Pino
280
2
10
70,4
23,3
6,3
0,20
0,59
Pino
280
3
10
67,1
26,0
6,9
0,21
0,55
T: temperatura. Tiempo: tiempo de residencia: duración del tratamiento a la temperatura final. lhc: libre de humedad y cenizas. lh: libre de humedad. p% = por ciento en peso.

La distribución de los productos es influenciada por el tipo y composición de la biomasa usada. En los experimentos con madera (abedul y pino) se producen mayor cantidad de producto sólido y menor cantidad de agua-alquitrán y gas, que en los experimentos con residuos agrícolas (bagazo). La producción de sólido después del proceso de torrefacción a 250 °C durante 2 h es 85,4 p% usando pino como materia prima, y 85,0 p% usando abedul, pero 77,5 p% usando bagazo. El rendimiento de gas después del proceso de torrefacción a 250 °C durante 2 h es 1,5 p% usando pino, y 2,1 p% usando abedul, pero 11,6 p% usando bagazo.

Cuando la temperatura es aumentada de 230 °C a 280 °C, la producción de biomasa torrificada disminuye, mientras que la producción de gases y mezcla alquitrán-agua aumenta. El efecto de la temperatura sobre la distribución de productos es más pronunciada entre los 250 °C y 280 °C que entre los 230 °C y 250 °C. Un incremento del tiempo de duración de la torrefacción de 1 h a 3 h provoca una disminución en la cantidad de biomasa torrada y un aumento de la cantidad de volátiles producidos. Además, los resultados muestran que no hay una influencia pronunciada del flujo de gas inerte en las condiciones escogidas en el trabajo (experimentos con pino variando el flujo de gas inerte de 5 a 10 L/h).

La biomasa torrada tiene propiedades hidrofóbicas, de manera que no absorbe humedad del aire durante su almacenamiento. La tabla 2 muestra el contenido de humedad en la madera y bagazo de caña torrados después de un tiempo de almacenamiento de 30 a 45 días. Los resultados muestran que después de un período de 30 a 45 días, los productos de biomasas torradas han absorbido cantidades pequeñas de humedad. Sin embargo, el contenido de humedad en el producto torrado es muy inferior al contenido de humedad en la biomasa de origen (aproximadamente 5 %).

3.2. Composición elemental
El análisis elemental de la biomasa y de sus productos torrados (tabla 3) muestra que el contenido de carbono aumenta con la temperatura del torrado y que el contenido de hidrógeno y oxígeno decrece. Las pérdidas en oxígeno y hidrógeno se deben a la formación de agua y monóxido y dióxido de carbono durante el torrado. En los experimentos con bagazo se obtuvo un contenido de carbono en el producto sólido, inferior que el obtenido en los experimentos con pino y abedul.

Tabla 3. Análisis elemental.
Biomasa
T
t
C
N
H
O Difa
CV
CVp
CVb
Recup.
energía
H/C
O/C
-
°C
hour
p%
lhc c
p%
lhc c
p%
lhc c
p%
lhc c
MJ/kg
b
% d
relac.e
relac.f
Abedul, raw
-
-
45,5
0,1
6,2
48,2
16,44
-
-
1,64
0,79
Abedul
230
2
50,8
0,16
6,0
43
18,79
1,14
99,34
1,42
0,63
Abedul
250
1
51,5
0,15
5,8
42,5
18,83
1,15
97,94
1,35
0,62
Abedul
250
2
51,6
0,17
5,9
42,2
19,19
1,17
99,24
1,40
0,61
Abedul
250
3
52,6
0,16
6,2
41
20,00
1,22
99,91
1,41
0,58
Abedul
280
2
56,6
0,17
5,6
37,6
21,07
1,28
88,31
1,19
0,50
Pino, raw
-
-
46,6
0,06
6,4
46,9
17,30
-
-
1,65
0,75
Pino
230
1
49,7
0,06
5,9
44,3
18,07
1,04
96,51
1,42
0,67
Pino
230
2
50,0
0,05
5,9
44
18,22
1,05
95,21
1,42
0,66
Pino
230
3
51,5
0,05
6,2
42,2
19,44
1,12
97,41
1,44
0,61
Pino
250
1
50,9
0,06
5,8
43,2
18,51
1,07
94,39
1,37
0,64
Pino
250
2
51,8
0,07
5,8
42,3
18,96
1,10
93,61
1,34
0,61
Pino
250
3
52,4
0,06
5,9
41,6
19,42
1,12
93,51
1,35
0,60
Pino
280
1
56,4
0,06
5,5
38
20,80
1,20
93,88
1,17
0,51
Pino
280
2
59,1
0,07
5,6
35,2
22,30
1,29
92,95
1,14
0,45
Pino
280
3
59,6
0,07
5,7
34,6
22,71
1,31
90,57
1,15
0,44
Bagazo, raw
-
-
44,8
0,25
5,8
49,10
15,50
-
-
1,55
0,82
Bagazo
230
1
48,6
0,25
5,6
45,50
17,08
1,10
96,47
1,38
0,70
Bagazo
230
2
48,8
0,26
5,6
45,30
17,18
1,11
94,26
1,38
0,70
Bagazo
230
3
49,2
0,28
5,7
44,90
17,49
1,13
94,47
1,39
0,69
Bagazo
250
1
50,6
0,30
5,6
43,50
18,08
1,06
92,04
1,33
0,64
Bagazo
250
2
50,6
0,30
5,6
43,50
18,08
1,05
90,45
1,33
0,64
Bagazo
250
3
51,5
0,32
5,7
42,50
18,69
1,07
90,94
1,33
0,62
Bagazo
280
1
52,8
0,39
5,3
41,50
18,73
1,04
82,93
1,20
0,59
Bagazo
280
2
54,7
0,41
5,4
39,50
19,84
1,10
82,83
1,18
0,54
Bagazo
280
3
55,4
0,44
5,5
38,70
20,34
1,09
83,76
1,19
0,52
Flujo de nitrógeno usado en estos experimentos: 5 L/h. aO dif: el oxígeno es calculado por diferencia. cCVp: Poder calorífico del producto torrado. CVb: Poder calorífico de la biomasa de origen. lhc: libre de humedad y cenizas, lh: libre de humedad. p% = por ciento en peso. eRecuperación de energía = CVp * rend, sólido / CVb. frelación = cantidad de átomos H / cantidad de átomos. C = (%H/1) / (%C/12).  grelación = cantidad de átomos O / cantidad de átomos. C = (%O/16) / (%C/12).

A mayores temperaturas de torrefacción, el contenido de C en el producto sólido aumenta, mientras que disminuye el contenido de H y O. Por lo tanto, el poder calorífico (CV) del producto sólido torrado aumenta con la temperatura, A temperaturas sobre los 250 0C se observa un mayor efecto de la temperatura sobre el poder calorífico del producto torrado. También, cuando se incrementa el tiempo de residencia en la torrefacción aumenta el poder calorífico. El poder calorífico es calculado usando la composición elemental de la muestra [Ruyter, 1982]: CV = 0,34 %C + 1,40 %H - 0,16 %O (MJ/kg).

Los productos sólidos obtenidos en los experimentos con abedul, pino y bagazo tienen grados de carbonización similares (CVp/CVb). El grado de carbonización es calculado como la relación entre el poder calorífico del producto torrado y el poder calorífico de la biomasa inicial. El grado de carbonización aumenta con la temperatura.

Durante la torrefacción se producen cambios en la composición química de la biomasa. Como se muestra en la tabla 3, el contenido de carbono aumenta a expensas de una disminución del contenido de oxígeno e hidrógeno, por lo que las relaciones de cantidad de átomos H/C y O/C disminuyen.

3.3. Composición de los productos gaseosos
La composición del producto gaseoso obtenido en torrefacción se muestra en la tabla 4.


Tabla 4. Composición de los productos gaseosos (libre de nitrógeno y agua).
Biomasa
T
Tiempo
N2 Flujo
CH4
C2
CO2
CO
°C
horas
l/h
vol %
vol %
vol %
vol %
Abedul
230
2
5
0,1
0,05
81,0
18,8
Abedul
250
1
5
0,1
0,05
81,2
18,6
Abedul
250
2
5
0,1
0,06
80,3
19,5
Abedul
250
3
5
0,2
0,10
77,0
22,7
Abedul
280
2
5
0,3
0,13
75,0
24,5
Pino
230
1
5
0,2
0,05
76,7
23,0
Pino
230
2
5
0,2
0,08
70,0
29,4
Pino
230
3
5
0,3
0,10
69,5
30,1
Pino
250
1
5
0,2
0,05
76,4
23,3
Pino
250
2
5
0,2
0,07
70,0
29,7
Pino
250
3
5
0,3
0,09
64,5
35,1
Pino
280
1
5
0,3
0,09
68,2
31,4
Pino
280
2
5
0,4
0,12
64,3
35,1
Pino
280
3
5
0,4
0,36
62,3
36,9
Bagazo
230
1
5
bld
0,05
84,4
15,5
Bagazo
230
2
5
bld
0,06
83,0
16,9
Bagazo
230
3
5
0,2
0,08
81,1
18,6
Bagazo
250
1
5
bld
0,10
78,1
21,8
Bagazo
250
2
5
bld
0,10
77,1
22,8
Bagazo
250
3
5
0,4
0,10
73,5
26,0
Bagazo
280
1
5
0,1
0,06
78,1
21,7
Bagazo
280
2
5
0,3
0,13
75,5
24,0
Bagazo
280
3
5
0,8
0,17
71,0
28,0
Pino
230
1
10
bld
bld
80,0
20,0
Pino
230
2
10
0,2
bld
66,6
33,2
Pino
230
3
10
0,2
0,04
59,5
40,2
Pino
250
1
10
0,2
0,05
69,5
30,2
Pino
250
2
10
0,3
0,06
63,8
35,8
Pino
250
3
10
0,4
0,10
59,0
40,5
Pino
280
1
10
0,4
0,06
58,2
41,3
Pino
280
2
10
0,6
0,18
60,3
38,9
Pino
280
3
10
0,7
0,23
55,9
43,1
T: temperatura. Tiempo: tiempo de residencia, duración de la torrefacción a la temperatura final. bld: bajo el límite de detección.

Las mayores temperaturas favorecen la producción de CO, metano e hidrocarburos C2, mientras que disminuye el porcentaje de CO2 en el producto gaseoso (Tabla 4). El efecto de la temperatura sobre la composición de un producto gaseoso es más pronunciado entre 250 y 280 0C que entre 230 y 250 0C.
Mayores tiempos de residencia producen el mismo efecto sobre la composición de los productos gaseosos, que un aumento de la temperatura.

4. Conclusiones
El tipo de biomasa influye sobre la distribución de los productos. Las muestras de madera (abedul y pino) producen más producto sólido y menos productos líquidos y gaseosos que el residuo agrícola estudiado (bagazo de caña de azúcar). El rendimiento de sólido disminuye mientras que el rendimiento de gas, alquitrán y agua disminuye cuando se aumenta tanto la temperatura como el tiempo de residencia. No se encontró una influencia significativa del flujo de nitrógeno sobre la distribución de los productos en las condiciones seleccionadas.

El contenido de carbono en el producto sólido aumenta a temperaturas más elevadas y a tiempos de residencia más largos, mientras que el contenido de hidrógeno y oxígeno disminuye. Por lo tanto, el poder calorífico de la biomasa torrada aumenta con la temperatura y el tiempo de residencia.

El porcentaje de CH4, H2, CxHy, y CO en el producto gaseoso aumenta con la temperatura, mientras que el porcentaje de CO2 disminuye.

Las muestras de biomasa torrada absorben pequeñas cantidades de humedad. Sin embargo, el contenido de humedad es mucho más inferior en el producto torrado, que en la biomasa originaria.

Bibliografía
1. FONSECA FELFLI, F., C. A. LUENGO, G. BEZZON and P. BEATON SOLER. Bench unit for biomass residues torrefaction, in Biomass for Energy and Industry, Proceeding of Int, Conf,, Würzburg. Germany: 8-11 June, Ed, by Kopetz, Weber, Palz, Chartier and Ferrero, C.A.R.M.E.N. Rimpar Germany, 1998. p.1593-1595.
2. ARCATE, J. R. New process for torrefied wood manufacturing, in Bioenergy update, vol, 2, No, 4, April 2000. (http://www,techtp,com/Bioenergy%20Update%20,pdf).
3. BOURGEOIS, J. P. and J. DOAT. Torrefied wood from temperate and tropical species: Advantages and prospects, in Bioenergy 84, Proceedings of an Int. Conf. on bionergy in Göteborg, Vol.3, 1985. pp.153-159, Elsevier Applied Science Publishers.
4. GIRARD, P. and N. SHAH. Developments on Torrefied Wood an Alternative to Charcoal, from REUR Technical Series No. 20, Charcoal Production and Pyrolysis Technologies, 1991. p.101-114, publ. by the Food and Agriculture Organization of the United Nations.
5. BATTACHARYA, S. C., S. JUNGTIYNONT, P. SANTIBUPPAKUL and V. M. SINGAMSETTI. Some aspects of screw press briquetting, Int. Workshop on Biomass Briquetting, New Dehli, 3-5 April, 1995.
6. RUYTER, H. P. Coalification model, Fuel 61, 1982. 1182.