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Como citar este trabalhoAn. 3. Enc. Energ. Meio Rural 2003
Investigaciones conjuntas Cuba UNICAMP sobre pirólisis de materiales lignocelulósicos
Luis Ernesto Brossard PérezI; Margarita Penedo MedinaI; L.A.B. CortézII; G. BezzonII; E. OlivaresII
IUniversidad de Oriente, Ave. Las América S/N, CEP. 90400, Santiago de Cuba, CUBA
IIUNICAMP,Campina,SP,Brasil, Cidade Universitária "Zeferino Vaz", Barão Geraldo, Campinas, SP, CEP: 13083-970, DECONRU/FEAGRI, Fone: 019-788 7242, Fax: 788-1010
RESUMEN
Se analizan los trabajos sobre descomposición térmica de biomasa vegetal realizados conjuntamente por la Universidad de Oriente, Cuba y UNICAMP, Campinas, SP, Brasil, los cuales se enmarcan en tres direcciones.
1. Pirólisis lenta (Carbonización).
2. Pirólisis rápida.
3. Activación de carbon.
La pirólisis lenta es estudiada desde el punto de vista de la optimización de la producción de carbón vegetal y líquido pirolítico. Se cuenta con modelos matemáticos que describen la obtención de estos productos a partir de diferentes tipos de residuos vegetales. Los carbones vegetales obtenidos han sido caracterizados y a partir de ellos fueron preparado carbones activados con diferentes propiedades.
Los líquidos pirolíticos fraccionados se evalúan como fuentes potenciales de reactivos químicos y como materia prima para agentes tensoactivos.
La pirólisis rápida realizada en lecho fluidizado ha sido dirigida hacia la obtención de carbón vegetal y como fuente directa de energía.
La tercera dirección, corresponde a la activación de carbon vegetal empleando un método que incluye lixiviación alcalina y tratamiento magnético. Se exponen los aspectos experimentales y teóricos de los anteriores enfoques.
RESUMO
Analisam-se os trabalhos sobre decomposição térmica da biomassa vegetal realizados conjuntamente na Universidade de Oriente, Cuba e na UNICAMP, Campinas, SP, Brasil, os quais estão direcionados em três vias diferentes:
4. Pirólise lenta (Carbonização).
5. Pirólise rápida.
6. Ativação do Carvão.
A pirólise lenta é estudada desde o ponto de vista da otimização da produção de carvão vegetal e líquido pirolítico. Conta-se com modelos matemáticos que descrevem a obtenção destes produtos a partir de diferentes tipos de resíduos vegetais. Os carvões vegetais obtidos tem sido caracterizados e a partir deles foram preparados carvões ativados com diferentes propriedades.
Os líquidos pirolíticos fracionados avaliam-se como fontes potenciais de reativos químicos e como matéria prima para a obtenção de agentes tensoativos.
A pirólise rápida realizada em leito fluidizado tem sido dirigida para a obtenção de Bio-óleo e carvão vegetal e como fonte direta de energia através de o re-aproveitamento dos gases da pirólise
A terceira direção corresponde à ativação do carvão.vegetal utilizando um método que inclui lixiviação alcalina e tratamento magnético.
Expôem-se os aspectos experimentais e teóricos dos anteriores enfoques.
INTRODUCCIÓN
Desde 1995 investigadores de la Universidad de Campinas (Facultad de Ingeniería Agrícola) y de la Universidad de Oriente (Facultad de Ingeniería Química) vienen desarrollando investigaciones conjuntas en el campo de la conversión termoquímica de la biomasa vegetal, especialmente bagazo y paja de caña, aserrín mixto y cáscara de arroz.
Entre los aspectos estudiados en estos trabajos están:
- La pirólisis rápida y la gasificación en lecho fluidizado.
- El establecimiento de las condiciones de obtención de productos sólidos y líquidos en la pirólisis lenta de bagazo y otras biomasas.
- La activación de carbón vegetal.
- El aprovechamiento posterior de los líquidos pirolíticos.
El objetivo del presente trabajo es hacer una exposición sintetizada de los resultados obtenidos en estas acciones cooperadas así como señalar cuáles podrían ser las perspectivas futuras.
La pirólisis rápida y la gasificación
Cortéz (Brasil) y Olivares (Cuba) han realizado importantes trabajos sobre la gasificación y la pirólisis rápida de bagazo y paja de caña de azúcar.
El diseño, construcción y puesta en marcha de un reactor en lecho fluidizado, trabajando en las instalaciones de UNICAMP y de COPERSUCAR, ha permitido obtener valiosos resultados de importancia práctica y teórica.
En la actualidad se han realizado reformas al fluidizador que permitirán una mejor alimentación de la biomasa así como una recuperación mas completa de los líquidos pirolíticos
Pirólisis lenta a presión atmosférica.
El convencional proceso de carbonización ha formado parte de los estudios conjuntos UNICAMP – Universidad de Oriente. Se ha trabajado en dos direcciones principales:
- La producción de Carbón Vegetal.
- La producción y composición de la fracción condensable.
Con respecto a la producción de carbón vegetal a partir de bagazo de caña, (BROSSARD, CORTÉZ Y COL., 2000A), se ha estudiado el proceso a escala de laboratorio en las siguientes condiciones:
El procesamiento estadístico de los resultados obtenidos dio el siguiente modelo matemático para un nivel de significación a = 0.05 y un R2=93.9%
Esto indica un rendimiento medio de un 28% dentro de la región experimental estudiada y establece claramente que el tiempo de permanencia de la biomasa carbonizada a la temperatura final (X2), es el factor que mas influye en la producción de carbón vegetal. No obstante se considera que en este estudio (aún no publicado) debe incluirse como factor la velocidad de calentamiento.
Con respecto al rendimiento del carbón a partir de cáscara de arroz se obtienen valores medios de 45% lo cual es significativamente mayor que en el caso del bagazo. Sin embargo ambos carbones difieren notablemente en cuanto a % de carbono fijo y de cenizas cuando se obtienen en iguales condiciones experimentales.
Así por ejemplo:
El alto contenido de cenizas del carbón de cáscara de arroz parece ser un serio impedimento para su uso posterior como combustible.
Pirólisis al vacío.
Por otro lado y bajo condiciones similares excepto por la aplicación de un pequeño vacío en el sistema (0,7 kgf/cm2) se estudió la producción de líquidos durante la pirólisis lenta obteniéndose el siguiente modelo empírico (BROSSARD, CORTEZ Y COL., 2000B).
El modelo anterior tiene la misma codificación que el arriba expuesto y puede observarse que la producción de líquido pirolítico tiene también como factor principal, pero negativo, el tiempo de residencia de la biomasa a la temperatura final.
Estos estudios se continuaron aumentando el vacío en el sistema, esta vez a 0.4 kgf/cm2 (BROSSARD Y COL. 2000C).
Como factores se contemplaron
El rendimiento de líquidos en estas condiciones obedece al siguiente modelo
Como se aprecia la velocidad de calentamiento (X4) es en estas nuevas condiciones, el factor más importante en la producción de líquidos. Además en segundo término mientras menor sea la densidad aparente de la biomasa pirolizada mayor será la producción de condensables.
El estudio por cromatografía gaseosa – espectrometría de masa muestra los principales productos químicos presentes en los efluentes condensables listados en orden de abundancia relativa:
1. Levoglucosan
2. Ciclopropilcarbinol
3. 4-metil-2(5H)-furanona
4. 2(5H)-furanona,3metil
5. Ácido acético
6. 4-etilfenol
7. 4-metilfenol
8. 4-metoxifenol
9. fenol
Activación de carbón vegetal
El carbón proveniente de la pirólisis lenta de bagazo, aserrín y cáscara de arroz ha sido sometido a un método de activación que difiere de los tradicionales por el hecho de utilizar una etapa de lixiviación alcalina en presencia de un campo magnético aplicado de baja intensidad.
El método de activación en cuestión se basa en el hecho de que el alquitrán que recubre la superficie del carbón vegetal o carbón primario puede ser eliminado solubilizándolo hidróxidos alcalinos. Este efecto es reforzado por la presencia de un campo magnético aplicado (LABRADA, 1998). Utilizando este método los carbones activados procedentes de las biomasas vegetales antes mencionadas presentaron como característica principal que sus superficie específica (AS) y el volumen de gas adsorbido cuando la superficie del adsorbente está cubierta por una capa unimolecular (VM) (tanto por la ecuación de Langmuir como por la ecuación de BET) son mayores en los carbones activados con tratamiento magnético que sin él. El aumento de estos parámetros es mucho más pronunciados en el caso del carbón activado de aserrín que en el de las restantes biomasas estudiadas. Es evidente que la aplicación de un campo magnético durante el proceso de activación trae consigo un efecto positivo en la calidad del producto final (BROSSARD, LABRADA, CORTÉZ, 2000A).
Adicionalmente debe señalarse que se ha comprobado que el método de activación por lixiviación alcalina y tratamiento magnético no produce cambios significativos en la distribución del tamaño de los poros de los carbones activados obtenidos (BROSSARD, LABRADA, CORTÉZ, 2000B).
Aplicaciones del alquitrán de pirólisis lenta.
Varios trabajos de Brossard y Cortéz (BROSSARD, CORTÉZ Y COL., 1997, 1999A, 1999B), han tratado sobre el empleo práctico de la fracción condensada insoluble en agua (alquitrán) proveniente de la pirólisis de diversos residuos lignocelulósicos.
Durante la 4ta Conferencia de Biomasa de Las Américas celebrada en Estados Unidos en 1999, el grupo de investigadores UNICAMP – Universidad de Oriente presentó varias comunicaciones científicas y entre ellas hubo dos relativas al uso de las soluciones alcalinas de alquitrán (S.A.A.). Una se refería al uso de la S.A.A. como agente espumante para el beneficio de menas sulfuradas de cobre (BROSSARD, CORTÉZ Y COL., 1999A) y la otra se refería a la confección de concreto ligero celular (BROSSARD, CORTÉZ Y COL., 1999B).
La importancia de estos trabajos radica en la utilización del alquitrán de pirólisis lenta como un todo no sometido a previo fraccionamiento.
En el caso a la aplicación referida al beneficio del mineral de cobre, se llega a la conclusión de que mediante el empleo de S.A.A. convenientemente dosificadas, es posible obtener porcientos de recuperación de cobre y porcientos de cobre en el concentrado final equivalentes a cuando se utiliza aceite de pino como agente espumante.
La otra dirección explorada permitió establecer el modo de obtención industrial de concreto ligero celular que posee además de baja densidad aparente (300 – 500 kg/m3), baja conductividad eléctrica y acústica.
CONCLUSIONES
La producción científica, aunque modesta, entre FEAGRI (UNICAMP) y la Facultad de Ingeniería Química (Universidad de Oriente) ha dado fructíferos resultados por la acción conjunta de investigadores de Brasil y Cuba.
Actualmente se trabaja entre otras direcciones en el mejoramiento del sistema de alimentación para el reactor en lecho fluidizado, en la modelación semiempírica de la pirólisis rápida, en las aplicaciones prácticas de las S.A.A. y en la activación de carbón vegetal empleando un campo magnético aplicado.
Este colectivo internacional de investigadores desea expresar su agradecimiento a las direcciones de las Facultades de Ingeniería Agrícola (FEAGRI) de la Universidad de Campinas (Brasil) y la de Ingeniería Química de la Universidad de Oriente (CUBA), así como, a la Fundación de Amparo a Pesquisa del Estado de Sao Paulo (FAPESP) por haber permitido con su apoyo la obtención de estos resultados.
REFERENCIAS
1. BROSSARD, L.E., M. PENEDO, L.A.B. CORTEZ, G.BEZZON, E.OLIVARES. "Pirólisis al vacío de bagazo de caña de azúcar". AGRENER, 2000C
2. LABRADA VÁZQUEZ, B. "Estudio de la influencia del campo electromagnético para la obtención de Carbón Activado". Informe de Balance Científico. Universidad de Oriente, Santiago de Cuba, Cuba, 1998
3. BROSSARD, L.E., B.L. LABRADA, L.A.B. CORTEZ. "Influencia del tratamiento magnético sobre la activación de carbones provenientes de residuos lignocelulósicos". AGRENER, 2000A.
4. BROSSARD, L.E., L.A.B. CORTEZ, M. PENEDO, G.BEZZON, E.OLIVARES. "Total condensable effluents in slow pyrolysis of bagasse briquettes". Energy and conversion Management., 41, pp 223-2333, 2000B
5. BROSSARD, L.E., L.A.B. CORTEZ, C.FUENTES, E.OLIVARES, G.BEZZON. "Evaluación del bagazo y la cáscara de arroz como materia prima para carbón vegetal". Próxima publicación, 2000A
6. BROSSARD, L.E., L.A.B. CORTEZ. "Potential for the use of pyrolytic for from bagasse in industry". Biomass and Bioenergy, Vol 12, Nº5, pp 363-366,1997
7. BROSSARD, L.E., L.A.B. CORTEZ, N.VARELA, E.OLIVARES, G.BEZZON. "Alkaline bagasse for solutions as foamers in copper mining". 4th Biomass Conference of the Americas. August 29 – Sept02, USA, 1999A.
8. BROSSARD, L.E., L.A.B. CORTEZ, E.IZQUIERDO, E.OLIVARES, G.BEZZON. "Foam concrete using bagasse pyrolysis tar" 4th Biomass Conference of the Americas. August 29 – Sept02, USA, 1999B.
9. BROSSARD, L.E., B. LABRADA, L.A.B. CORTEZ. "Distribución del tamaño de poros en carbones activados. Influencia del tratamiento magnético". Próxima publicación.
