PROCESO DE PIRÓLISIS RÁPIDA DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS DE NARANJA. INFLUENCIA DE FACTORES EN EL PROCESO

FAST PYROLYSIS PROCESS OF ORANGE SOLID WASTE. FACTORS INFLUENCE IN THE PROCESS

Leonardo Aguiar Trujillo^1*, Boris A. Ramos Robaina¹, Francisco Márquez Montesinos¹, Alberto Gonzalo Callejo², Jesús Arauzo Pérez²

¹ Centro de Estudio de Energía y Tecnologías Sostenibles "CETES", Universidad de Pinar del Río, Cuba ]]> ² IQTMA, Universidad de Zaragoza, España

RESUMEN

La industria procesadora de la naranja genera elevados volúmenes de residuos sólidos. Este residuo se ha utilizado en la alimentación animal y en procesos bioquímicos. Una variante de aprovechamiento energética del residuo lo puede constituir el proceso termoquímico de pirólisis rápida.El objetivo del trabajo fue determinar la influencia de la velocidad de calentamiento y temperatura, en el proceso de pirólisis rápida de los residuos sólidos de naranja. En el proceso se utilizó un diseño de experimento factorial completo de 2^k, valorando la influencia de las variables independientes y sus interacciones en las respuestas, con un grado significación del 95 %.Se obtuvo que la temperatura es el parámetro que más incide en las respuestas, teniendo influencia significativa en el rendimiento a gas, a carbón, alquitrán y en el poder calórico del gas y la velocidad de calentamiento no influye en las respuestas. Por último la interacción incide en el rendimiento a gas.Los resultados obtenidos en el estudio son: Rgas (19 – 38) %, Rchar (25 – 42) %, Ralq (6 – 12) %, PCIgas (140 – 1050) kJ/m³N.

 Palabras clave: Residuos de naranja, pirólisis rápida, velocidad de calentamiento, temperatura, productos.

ABSTRACT

The orange processing industry generates high volumes of solid residue. This residue has been used in animal feeding and biochemical processes. A possible energy use of the waste can be thermochemical fast pyrolysis process. The objective was to determine the influence of the heating rate and temperature in the process of rapid pyrolysis of orange solid residue. In the process a design, 2^k full factorial experiment was used, evaluating the influence of the independent variables and its interactions on the answers, using a 95 % significance level.We found that temperature is the most significant influence on the responses parameter having significant influence on the yields to: gas, coal, tar and the calorific value of the gas and the heating rate does not influence the answers. Finally, the interaction affects the gas yield.The results obtained in this study are: Rgas (19 – 38) %, Rchar (25 – 42) %, Ralq (6 – 12) %, PCIgas entre (140 – 1050) kJ/m³N.

INTRODUCCIÓN

El mundo de hoy se enfrenta a serias dificultades energéticas, sobre todo porque la solución de estos problemas está relacionado con el medio ambiente y con otros factores de tipo social; estas dificultades se agudizan constantemente. Estudios recientes plantean la necesidad de tomar conciencia sobre la urgencia de encontrar fuentes de materias primas renovables y tecnologías más racionales desde el punto de vista ecológico, y Cuba no está exenta de esta temática (Suárez y col. 2012), para los procesos de termoconversión dada la catástrofe que se nos avecina en caso de que se continuara con la contaminación indiscriminada actual del medio ambiente.

Los procesos térmicos a partir de biomasa son objetivo de investigación de gran parte del mundo científico, pero sobre todo del Mundo Desarrollado, que tratan de adquirir estas tecnologías amenazadas por la crisis energética actual y por los problemas de contaminación ambiental.

Cuba cuenta con grandes volúmenes de biomasa producida por sus fundamentales industrias, las cuales se utilizan para la producción de energías como ejemplo, el bagazo, la cascarilla de arroz, la paja de caña, el aserrín, la madera, etc., sin embargo las tecnologías con que disponemos no son lo suficientemente eficientes como lo exigen la competencia con otras fuentes tradicionales de energía.

Los Combinados industriales en Cuba donde se procesan los cítricos con el fin de obtener jugos concentrados y aceites esenciales de esta materia prima generan alrededor del 50 % de residuos húmedos de naranja (corteza, semilla y hollejos o bagazo), de los cuales el 50 % lo compone la materia orgánica (http://faostat.fao.org/faostat/notes/citation.htm).

Los usos que se le brindan a estos residuos es la alimentación animal de las empresas ganaderas las cuales se encuentran a grandes distancias de los combinados, o secado natural de los excedentes.

En el proceso de pirólisis, con ausencia de oxígeno, la biomasa es destilada térmicamente con temperaturas superiores a los 250 ºC. Mediante este proceso resultan tres tipos diferentes de residuos: El residuo sólido o carbón vegetal, el residuo líquido denominado comúnmente como ácidos piroleñosos o alquitrán y agua, y el residuo gaseoso que constituye precisamente una mezcla de gases (incluyendo Monóxido de Carbono, Hidrógeno, Hidrocarburos Ligeros y Nitrógeno, etc.). La proporción de cada uno de estos productos es dependiente de las condiciones de operación y fundamentalmente de la composición química del tipo de biomasa. La proporción de cada uno de los subproductos depende de la temperatura, del proceso, de la materia prima, velocidades de calentamiento y de la metodología empleada.

El gas producto de la pirólisis es de baja densidad de energía (3,5 – 8,9) MJ/m³N, con lo cual constituye un producto no económico para transportar a través de redes de tuberías, prefiriéndose su uso en el lugar donde este es producido, por lo cual el gas se debe envasar para el consumo fuera del lugar de generación. Si el gas se pretende utilizar en motores de combustión interna, debe ser sometido a un proceso previo de tratamiento, incluyendo limpieza para la remoción de vapores ácidos y partículas de suciedad así como un procedimiento de limpieza. Además la baja densidad energética aumentaría el tamaño de los motores.

En el trabajo fue desarrollado el proceso de pirólisis rápida, con velocidad de calentamiento de 50 ºC/min y fast por contar con instalaciones que garantizan ambos procesos y contribuyen a aumentar los rendimientos de combustibles alternativos alquitrán y gases respectivamente, con alimentación fija de residuos sólidos de naranja y flujo de gas inerte (nitrógeno) en continuo, variando la temperatura del procesos.

MATERIALES Y MÉTODOS

La materia prima utilizada son los residuos sólidos de naranja del proceso industrial de obtención de jugos concentrados y se compone principalmente de corteza, hollejos o bagazo y semillas. Los procesos de tratamiento utilizados en la investigación han sido el secado y la trituración de los residuos.

2.1. Análisis elemental e inmediato de la muestra

El análisis inmediato, el análisis elemental y análisis para la obtención del Poder Calórico de la muestra se realizó en el Instituto de Carboquímica (CSIC) de Zaragoza, mostrado en la tabla 1.

2.2. Procedimiento experimental.

·   Diseño de experimento utilizado.

Para el diseño y análisis de todos los resultados alcanzados, fue utilizado el software Design-Expert®, a través de un diseño factorial completo de 2^k con el que se obtuvo el mínimo de experimentos a realizar para valorar la influencia de las variables independientes en las respuestas analizadas y como salida un estudio estadístico de análisis de varianza (Anova), un grado de significación del 95 % (α = 0,05), (Aguiar y col. 2008, 2009, 2013) y (Manyá y col. 2006), para el cual se considera:

.   La distribución "F" de Fischer-Snedecor. F_(término) > F_tabulada. Prueba de significación.

.   A partir del nivel de significación fijado (α = 0,05), se valora la Probabilidad (P) de que el valor de la distribución "F" sea verdadero, P < 0,05 (si la fuente de variación ejerce un cambio significativo en la respuesta o no).

·Condiciones experimentales del proceso de pirólisis.

Las condiciones generales de operación de los distintos experimentos de pirólisis, de residuos sólidos de naranja del proceso de obtención de jugos

.   Peso inicial de residuos sólidos de naranja: 3 g.

.   Flujo de gas inerte (nitrógeno): 800 ml/min.

 Las variables independientes son:

.  Velocidad de calentamiento: 50 ºC/min y fast (considerada como variable categórica). Favorecen la formación de alquitrán y gases.

.  Temperaturas finales de pirólisis: 300, 450, 600 ºC, producto que la mayor descomposición del residuo ocurre en el intervalo (Aguiar y col. 2008), (analizada como variable numérica).

Los experimentos se efectuaron calentando las muestras a la velocidad de calentamiento hasta la temperatura final de pirólisis y al alcanzar esta temperatura se mantiene fija durante una hora y atmósfera inerte, y registrando datos de tiempo, temperatura y análisis de gases durante todo el periodo, como se muestra en la figura 1.

 

El número total de experimentos realizados se muestran en la tabla 2, ejecutados de manera aleatoria.

· Respuestas analizadas.

Como resultado del trabajo las respuestas valoradas en el proceso de pirólisis rápida son: Rendimiento: a gas (Rgas), de alquitrán (Ralq), a carbón (Rchar), de agua (Ragua) en % respecto a la alimentación realizada; Poder calórico inferior del gas obtenido: PCIgas (kJ/m³N).

En los experimentos se determinaron los datos:

.  Masa de condensables (agua y alquitranes): producto a la diferencia de pesada, antes y después del experimento, del equipo utilizado para la recogida de condensables y limpieza de gases. La masa del agua se determina utilizando el método de Karl-Fischer titration, (Aho y col. 2008) y (Oasma y Meier, 2005) y el resto es considerado alquitrán.

.   Masa de carbón (cenizas + residuo carbonoso): Se conoce por la diferencia entre la masa de la cesta con el carbón obtenido al finalizar el experimento y la masa de la cesta vacía.

 RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los resultados obtenidos en los productos del proceso de pirólisis rápida al variar la temperatura, y la velocidad de calentamiento se muestran en la tabla 3. Además el efecto provocado por los factores antes mencionados y sus interacciones sobre los productos del proceso de pirólisis rápida, según el análisis de varianza (Anova) y el grado de confianza del 95 %, se muestra en la tabla 4.

3.1. Influencia de la temperatura y la velocidad de calentamiento en los productos de la pirólisis rápida y fast, en lecho fijo

·  El rendimiento a gas aumenta con el aumento de la temperatura para las dos velocidades de calentamiento seleccionadas. De los 300 a los 450 ºC el aumento es menor que de los 450 a los 600 ºC, producto a que el aumento de la temperatura favorece a las reacciones de descomposiciones primarias y secundarias de la biomasa, siendo estas últimas predominantes a las altas temperaturas. Respecto a la velocidad de calentamiento en el intervalo de 300 a 450 ºC este rendimiento es mayor para la Vcal = 50 ºC/min. que para la Vcal = fast y cuando se alcanza los 600 ºC este perfil se invierte obteniéndose los mayores rendimientos a las  Vcal = Fast, producto a que el aumento de la velocidad de calentamiento favorece la ruptura de los enlaces de la biomasa. Resultado similar de variación de Rgas vs. T lo obtienen (Iguanzo y col. 2002), (Zabatiniotou y col. 2003 y 2007), (Chen y col. 2003), (Pütün y col., 2007) y (Onay 2007).

·  El rendimiento de alquitrán aumenta con el aumento de la temperatura para las dos velocidades de calentamiento seleccionadas, de los 300 a los 450 ºC el aumento es mayor que de los 450 a los 600 ºC producto a que a medida que aumenta la temperatura se favorece la descomposición de la biomasa (reacciones primarias y secundarias) obteniendo como resultado líquidos y gases y a partir de los 450 ºC se favorecen las reacciones secundarias descomponiéndose fracciones de alquitranes en gases. Respecto a la velocidad de calentamiento en el intervalo de 300 a 450 ºC este rendimiento es menor para la Vcal = 50 ºC/min. que para la Vcal = fast y cuando se alcanza los 600 ºC este perfil se invierte ligeramente, obteniéndose los mayores rendimientos a las Vcal = 50 ºC/min. Resultados similares lo obtienen (Iguanzo y col. 2002), (Zabatiniotou y col. 2003 y 2007), (Chen y col. 2003), (Pütün y col. 2007), (Onay 2007) y (Tsai y col. 2006).

·  El rendimiento a carbón disminuye con el aumento de la temperatura para las dos velocidades estudiadas. Al variar la velocidad de calentamiento se obtiene mayores valores en el Rchar, para las Vcal = fast en comparación con las Vcal = 50 ºC/min. Esto es producto a un aumento en las descomposiciones primarias y a la aparición de las reacciones secundarias de descomposición del char, provocado por el aumento de la temperatura. Resultados similares de variación de Rchar vs. T lo obtienen (Iguanzo y col. 2002) y (Guerrero y col. 2005).

CONCLUSIONES

1.   Se obtuvo que la temperatura es el parámetro que más incide en las respuestas, teniendo influencia significativa en el rendimiento a gas, a carbón, alquitrán y en el poder calórico del gas y la velocidad de calentamiento no influye en las respuestas. Por último la interacción solo incide en el rendimiento a gas.

2.  Los resultados obtenidos en el procesos de pirólisis rápida para valores de temperatura entre los 300 y 600 ºC y con velocidades de calentamiento de           50 ºC/min y fast son: Rgas entre (19 y 38) %, Rchar entre (25 - 42) %, Ralq entre (6 - 12) %, PCIgas entre (140 – 1050) kJ/m³N.

3.   Para elevar el rendimiento a gas del proceso de pirólisis, en la región analizada, se debe trabajar a una temperatura de 600 ºC y una velocidad de calentamiento de Vcal = fast, obteniendo un resultado de Rgas = 38 % y un PCIgas = 1018 kJ/m³N, sobre lo alimentado.

4.   Para elevar el rendimiento de alquitrán del proceso de pirólisis, en la región analizada, se debe trabajar a una temperatura de 600 ºC y una velocidad de calentamiento de Vcal = 50 ºC/min, obteniendo un resultado de Ralq = 10,79 %, sobre lo alimentado.

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Recibido: Febrero 3, 2015
Revisado: Febrero 11, 2015
Aceptado: Marzo 19, 2015