123225270 biomasa presentacion f corvalan 23-06-2012
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Biomasa:Conversión y Productos (Parte II)
Profesor: Fernando Corvalan QuirozIngeniero Civil Químico (PUCV, 1979)
Dr.- Ingenieur (RWTH Aachen, Alemania, 1986)
Universidad de Santiago de ChileFacultad de Ingeniería
Diplomado en Energía y Desarrollo SustentableJunio 23 de 2012
En primer lugar pido excusas• Ya que todo los que trate de transmitirles
durante estas horas de hoy, es hecho desde la perspectiva de un ingeniero de procesos (químico), y por lo tanto puede ser muy sesgado
• Sin embargo, ninguno de nosotros puede salir de su piel
• Yo a medida que envejezco, me doy cuenta de la dureza de la capa de educación materialista que recibí en mi juventud
Tópicos
• Introducción• Caracterización de Biomasa• Biocombustibles
Historia
• 1898: Rudolph Diesel, aceite de maní• 1900-1920: aceites vegetales hasta
aparición del “diesel 2”• 1908: Henry Ford, auto a etanol• Hasta que en los años 40 se imponen
los derivados del petróleo
Formas de Biomasa en la Naturaleza
Formas típicas de biomasa y su tasa de crecimiento a
nivel mundial (estado a 1981)
Formas de Biomasa % MM Toneladas/año
Celulosa 65 100
Hemicelulosa 17 27
Lignina 17 27
Almidón 1,05
Azúcar 0,1
Grasas
Proteínas
Color
1 (juntos en
total)
0,13 en total
Total 100 155,28
Caracterización de BiomasaSegún el compuesto o grupo de compuestos preponderantes en
la biomasa vegetal: HIDRATOS DE CARBONO
• Biomasa lignocelulósica: aquella donde predominan las celulosas de hemicelulosa, holocelulosa y lignina.
• Biomasa amilácea: aquella en que los hidratos de carbono predominantes se encuentran en forma de polisacáridos de reserva tales como almidón o inulina.
• Biomasa azucarada: aquella cuyo principal componente hidrocarbonado está constituido por azúcares, ya sean monosacáridos (glucosa o fructuosa principalmente) o disacáridos tales como la sacarosa.
• Biomasa energética: incluye los materiales de origen biológico que o pueden ser empleados con fines alimenticios o
industriales.
Celulosa
• La mas abundante sustancia orgánica• Es un polisacarido, compuesto de
cadenas de glucosa pura (C6H10O5), lasque se mantienen unidas por medioenlaces de puentes de hidrógeno
• Es insoluble en agua y solventesorgánicos
• Se hidrata en presencia de ácidos y bases
Hemicelulosa
• Las plantas tipo madera se componende alrededor de un 20% a un 40% de hemicelulosa– Esta es también un polisacarido,
compuesto no solamente de glucosa pura, sino también de otros tipos de azúcar(azúcares C5 y C6)
Lignina• Representa alrededor del 30% de las plantas
tipo madera• Su intervención en la matriz de celulosa
provoca la transformación de las células de las plantas en algo parecido a la madera
• Es soluble en soda y bisulfito de calcio• Es insoluble en agua• Impide el ataque químico y enzimático de la
celulosa
Almidón• Es también un polisacárido: con enlaces más
débiles que celulosa y hemicelulosa• Se entiende por azúcar por el contrario a
monómeros de azúcar, que se encuentran en forma pura en la caña de azúcar u otras plantas azucaradas– Debido a los enlaces más débiles, se prestan el
almidón y azúcar para una separación química o enzimática menos laboriosa
Órdenes de Magnitud de Influencia
• Comparadas con la celulosa, la hemicelulosa y la lignina aportan pocoa la biomasa– El almidón (1050 MM t/a), azúcar (100 MM
t/a), así como grasas, proteinas y colorantes (130 MMt/a), constituyen sóloaproximadamente un 1% de la producciónmundial de biomasa
El último grito de la moda: Biorefinerías
• Concepto de biorefinería: análogo a una refinería de petróleo, convirtiendo distintos tipos de biomasa a un variado espectro de productos biobasados:– electricidad, combustibles, compuestos
químicos intermedios y productos de consumo.
Tipos de Biorefinerías: 3• 1ª Generación: Sin flexibilidad de funcionamiento,
como por ejemplo, una planta de etanol en base a molienda seca.
• 2ª Generación: Capacidad para producir una gran variedad de productos finales, dependiendo de la demanda existente, como por ejemplo, la tecnología de molienda húmeda.
• 3ª Generación: Aun no desarrolladas, y emplearán biomasa agrícola o forestal para producir una multiplicidad de corrientes producto, como seria por ejemplo etanol para combustibles, químicos y plásticos.
Caracterización: poder calorífico• Poderes caloríficos (energía liberada en la
combustión de 1 kg de combustible. Puede ser: Superior o PCS, inferior o PCI. Además se deben tomar en cuenta:– 1) Poder comburivoro: aire necesario para la combustión
completa de 1 kg de combustible– 2) Poder fumígeno: humos generados durante la
combustión completa de 1 kg de combustible– 3) Temperatura de combustión (alcanzada en los humos
producidos)– 4) Eficiencia de la combustión: depende de:
• a) Grado de combustión total• b) Contenido de humedad• c) Exceso de aire usado
PODER CALORIFICO SUPERIOR (PCS):
• Energía total producida por la combustión en un calorímetro a volumen constante y donde el agua vaporizada se encuentra en estado liquido al efectuar la medición. – La determinación se lleva a cabo a 30 ºC
PODER CALORIFICO INFERIOR (PCI):
• Resulta de restar del PCS el calor latente de vaporización de agua formada en la combustión y arrastrada por los humos en un proceso de combustión a presión constante.– Si no se especifica lo contrario, se
entiende que el PCI se refiere a materia seca.
– Si no se especifica lo contrario se entiende referido a materia seca (0% humedad).
Fórmulas de Cálculo
• A partir de los datos del contenido en C, H, O, y S de los combustibles (expresados en kg de elemento /kg de combustible) se puede establecer el PCS y el PCI según las formulas generales:– PCS (kcal/kg) = 8.100C+34.100(H-
O/8)+2.500S– PCI (kcal/kg) = PCS-665(9xH)
Relación entre la razón atómica O/C y H/C para distintos tipos de combustibles fósiles comparados con biomasa
0.40 0.2 0.80.6
0.2
0.4
1.0
1.2
1.4
1.8
0.8
0.6
1.6
Razon atómica O/C
Madera
LigninaCelulosa
Biomasa
turba
Carbon vegetal
carbon
Antracita
Aumento del Poder Calorifico
Razón atómicaH/C
Razón de Exceso de Aire (λ)
• Se define como la razón entre la cantidad de aire de combustión disponible y la cantidad estequiométrica de aire de combustión.
Características físicas, químicas y energéticasde los biocombustibles
• Físicas– Estado físico (s,l,g)– Densidad o volúmen específico– Densidad aparente (masa a volúmen total, incluye
el volúmen de aire contenido). Se aplica a combustibles sólidos y gaseosos
– Contenido de humedad (% sobre peso húmedo)– Viscosidad (líquidos)– Granulometria (triturados o pulverizados)
Características químicas
• Composición centesimal en losprincipales elementos:– Carburantes (C e H, principalmente)– Comburentes (O)– Productores de contaminación (N,S,
principalmente)– Metales alcalinos (Na y K, principalmente) – Contenido de cenizas (% sobre el peso
seco del combustible)
Normativas de análisis estándares
• Análisis inmediato:– Incluye carbono volátil, carbono fijo y
cenizas (%’s en base seca)• Carbono volátil : fracción que se gasifica
inicialmente (material celulosico)• Carbono fijo : fracción de lignina que queda
mayoritariamente en los carbones(carbonización)
Determinación de los parámetros
• Volátiles (vol): muestra se somete a 950 ºC durante 45 minutos en una muflacon el crisol tapado (Norma ASTM D 1762-64)
• Cenizas (Cen): muestra (aprox. 2 g)sesomete a 815 ºC durante 5 horas en crisol abierto
• Carbono fijo (Cf ): diferencia a 100 de cenizas y volátiles
Otros elementos
• Análisis elemental: Comprende lasdeterminaciones de C, H, S, O y Cloruros
• Caracterización de las cenizas: se determinan los siguientes compuestos:– En ppm: Ag, As, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, La, Li,
Mo, Nb, Ni, Pb, Sn, Sr, V, W, Zn– En %: Al2O3, CaO, Fe2O3, K2O, MgO,
MnO, Na2O, P2O5, SiO2,TiO2
21/06/2012 fernando.corvalan@usach.cl 25
Plantas Térmicas: ejemplo Ciclo Rankine
1. 30 MW-1.200 MW
2. Eficiencias: hasta 40%
3. Para: carbón, GN, Residuos, biomasa, Fuel Oil Nº2, etc
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Ciclo Combinado con Gasificación Integrada: IGCC
1. Hasta 335 MW (carbón); 6 MW para biomasa2. Eficiencia: 46 % (carbón), 33% (biomasa)3. Para: Carbón, Biomasa y residuos pesados de petróleo
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Lecho Fluidizado Atmosférico :AFBC1. Hasta 300 MW2. Eficiencias hasta 38%3. Para (principalmente): carbón y biomasa
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Lecho Fluidizado Presurizado :PFBC1. Hasta 350 MW2. Eficiencias hasta 43 %3. Para (principalmente): carbón y biomasa
Emisión de Contaminantes por combustible
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Combustible SOx NOx térmico NOx combustible CO CO2 COV´s Partículas TóxicoscarbónGNFuel‐Oil N°2Fuel‐Oil N°6BiomasaResiduos PesadosFactor condicionante 1 2 3 4 4 4 5 51: Contenido de Azufre en el Combustible2:Diseño de Quemadores3: Contenido de Nitrógeno en el Combustible4: características de la Combustión5: Contenido de cenizas y otros elementos
Combustible por tecnologíaCombustible Turbina
a gasCiclo Stig
Turbina a vapor
CC motores IGCC AFBC PFBC
Carbón No No Si No No Si Si SiGN Si Si Si Si Si No No NoF-O N°2 Si Si Si Si Si No No NoF-O N°6 No No Si No Si No No NoBiomasa No No Si No No Si Si SiAceites pesados
No No Si No No Si No No
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Puntos de Emisión de Contaminantes:
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Tipos de Tecnología: 3 tipos• Termoquímicas: usan altas temperaturas
para convertir biomasa como materia prima a energía, típicamente en forma de electricidad y calor.
• Bioquímicas: emplean agentes biológicos para convertir biomasa en energía, generalmente en forma de combustibles líquidos y gaseosos.
• Químicas: se ayudan de agentes químicos para convertir biomasa en energía, generalmente en forma de combustibles líquidos.
Situación del estado de arte• 9 tecnologías• 2 bien consolidadas:
– Combustión– Digestión anaerobia
• En Chile (con ayuda de la GTZ) se han llevado a cabo estudios orientados a:– Quema de leña– Biogas a partir de desechos
• Y su uso en cogeneración
A continuación
• Les presento la diapositiva más importante de esta presentación:
– Aquella que resume todo, absolutamente todo
– Es decir lo que todos andamos buscando a veces
Restos OrgánicosRestos orgánicos secundarios
Residuos de CosechasPlantas Energéticas
Cosecha, Acopio y Materialización
Preparación (Prensado, secado, Humectado, mezclado, etc)
Transporte (Camión, Tractor,Correa transportadora, barco, etc.)
Almacenamiento (estanques,Silos, etc.)
Conversión Termo-Química
ConversiónFísico-Química
ConversiónBio-Química
Carbonización Gasificación Pirolisis Prensado/ Extracción
Esterificación
FermentaciónAlcohólica
DigestiónAnaeróbica
DigestiónAeróbica
Carbón Gas Aceite de Pirolisis
Aceite Vegetal
Metilester
Etanol Biogas
Combustiblesólido
Combustiblegaseoso
Combustibleliquido
CombustiónCalorEnergía eléctrica (fuel cell) Energía Térmica
Trabajo MecánicoConversión Térmica
a mecánica
Combustión de sólidos de biomasa
• Proceso de descomposición química a través del cual la biomasa se convierte al estado gaseoso en presencia de una cantidad suficiente de oxigeno (λ > 1)
Reacción de Combustión
• En ausencia de Na, K, Cl, etc:• CH1.44 O0.66 + λ 1.03 (O2 + 3.76 N2) ->
intermedios (C, CO, CO2, CmHn, etc.) -> CO2 + 0.72 H2O + (λ-1)O2+ λ3.87N2 439 kJ / kmol– donde CH1.44 O0.66 designa la
composición promedio de una biomasa típica usada para la combustión (madera, paja u otro material similar)
Pero se producen una serie de contaminantes
• Compuestos no quemados tales como CO, CxHy, alquitrán, carbón, H2, HCN, NH3, y N2O.
• Contaminantes formados por combustión completa tales como NOx(NO y NO2),CO2, y H2O.
• Cenizas y contaminantes tales como partículas de KCl, SO2, HCl, Cu, Pb, Zn, Cd, orgánicos, etc.
Procesos de Control de la Contaminación
• Medidas primarias (material particuladodurante la combustión)
• Secundarias (NOx en gas de salida).
Las famosas 3 T´s: temperatura, tiempo y turbulencia
• La combustión completa depende de:• Temperatura, tiempo de residencia y
turbulencia. – La mezcla entre gases combustibles y aire, limita
la calidad de los gases de salida, mientras que las exigencias de temperatura (alrededor de 850 ºC) y tiempos de residencia (alrededor de 0,5 s), pueden ser fácilmente logradas
– Las condiciones optimas de mezclado pueden ser alcanzados en lechos fijos en combustión en 2 etapas.
Mejoramiento del diseño de los hornos
• Puede ser abordado empleando herramientas tales como la dinámica de fluidos computacional (CFD)
• Es hoy por hoy una metodología estándar para calcular la distribución de flujo en los hornos
• Además la química de reacciones en fase gas puede ser implementada en los códigos de programación CFD.– Sin embargo, existe una necesidad de investigación en lo
que refiere a las reacciones heterogéneas durante los procesos de secado, transporte, desvolatilización y gasificación de biomasa sólida antes de la entrada a la combustión en fase gaseosa.
Tomado de la referencia 6 de apuntes
Horno comercial• 1: alimentador, 2: horno, 3: aire primario, 4: aire secundario, 5:
cámara de post combustión; 6: intercambiador de calor, 7: ciclón, 8: remoción de ceniza
Mas de ello• Donde 1: alimentador, 2: parrilla móvil, 3: aire primario, 4: aire
secundario, 5: cámara de post combustión; 6: intercambiador de calor, 7: ciclón, 8: remoción de ceniza
Etc., etc.
Vista panorámica
Tipos de hornos y condiciones de flujo
Mas
Restos OrgánicosRestos orgánicos secundarios
Residuos de CosechasPlantas Energéticas
Cosecha, Acopio y Materialización
Preparación (Prensado, secado, Humectado, mezclado, etc)
Transporte (Camión, Tractor,Correa transportadora, barco, etc.)
Almacenamiento (estanques,Silos, etc.)
Conversión Termo-Química
ConversiónFísico-Química
ConversiónBio-Química
Carbonización Gasificación Pirolisis Prensado/ Extracción
Esterificación
FermentaciónAlcohólica
DigestiónAnaeróbica
DigestiónAeróbica
Carbón Gas Aceite de Pirolisis
Aceite Vegetal
Metilester
Etanol Biogas
Combustiblesólido
Combustiblegaseoso
Combustibleliquido
CombustiónCalorEnergía eléctrica (fuel cell) Energía Térmica
Trabajo MecánicoConversión Térmica
a mecánica
Gasificación• Gas resultante: monóxido de carbono (CO), dióxido
de carbono (CO2), hidrógeno (H2), metano (CH4), alquitrán, agua y pequeñas cantidades de hidrocarburos tales como el etano.
• Gas de bajo poder calórico (de 4 a 7 MJ/m3); si se emplea O2 se pueden alcanzar de 10 a 18 MJ/m3.
• La tecnología más empleada es, sin embargo, la que utiliza aire como agente oxidante, por razones económicas y tecnológicas.– En los gasificadores el combustible sólido se calienta por
combustión de una parte del combustible. Los gases de la combustión se reducen seguidamente pasándolos a través de un lecho de combustible a alta temperatura.
Gasificador de corriente ascendente o de tirodirecto
• La toma de aire se encuentra en el fondo y los gases salen por arriba
• Cerca de la parrilla, en el fondo, tienen lugar las reacciones de combustión, que van seguidas de reacciones de reducción algo más arriba, en el gasificador
• En la parte alta del gasificador tiene lugar el calentamiento y pirólisis de la carga, como resultado de la transferencia de calor, por convección forzada y radiación, de las zonas inferiores.
• Los alquitranes y productos volátiles producidos durante este proceso son transportados por la corriente de gas.
• Se remueven las cenizas del fondo del gasificador.
Gasificador de corriente descendente o de tiroinvertido
• el aire de primera gasificación se introduce en la zona de oxidación del gasificador o por encima de ésta.
• El gas pobre sale por el fondo del aparato de modo que el combustible y el gas se mueven en la misma dirección
• En particular, los materiales blandos y de baja densidad ocasionan problemas de circulación y una caída excesiva de presión y, el combustible sólido hay que convertirlo en gránalos o briquetas antes de utilizarlo
• formación de escoria• 350 kWe como máxima potencia
Gasificador de tiro transversal
• adaptación para el empleo de carbón vegetal.
• La gasificación del carbón vegetal produce temperaturas muy elevadas (1500°C y más) en la zona de oxidación que pueden producir problemas en los materiales
• el propio combustible (carbón vegetal) sirve de aislamiento contra estas altas temperaturas.
• puede funcionar en instalaciones inferiores a 10 kWe.
• capacidad mínima de transformación del alquitrán y la necesidad consiguiente de emplear carbón vegetal de alta calidad
Gasificador de lecho fluidizado: Uso por encima de los 500 kWe
• Se sopla aire a través de un lecho de partículas sólidas a velocidad suficiente para mantenerlas en estado de suspensión.
• Se calienta externamente el lecho y el material de alimentación se introduce tan pronto como se alcanza una temperatura suficientemente elevada.
• Las partículas del combustible se introducen al reactor, se mezclan muy rápidamente con el material del lecho y se calientan casi instantáneamente alcanzando la temperatura del lecho
• el combustible se piroliza muy rápidamente. En la fase de gas, se produce una nueva gasificación y reacciones de transformación de los alquitranes.
T Flujo de aire Concentracion del gas producido
mol %
Combustible
0C kg/kg combustible
CO H2 CO2 H2O N2 CH4 H2S
carbonAceites vegetales
PajaMadera tratadaMadera no tratada
Pasto/ plantasLodoPurin
832875659655642621600600
2.843.841.401.631.451.241.241.25
32.427.520.519.417.714.65.63.8
15.825.122.521.322.723.219.217.1
0.90.3
11.311.212.614.514.714.7
0.50.36.36.27.69.7
18.624.6
50.046.738.440.938.036.341.239.5
0.10.11.01.01.31.80.40.2
0.3000000.30.1
CONDICIONES OPTIMAS DE CONDICIONES OPTIMAS DE GASIFICACIONGASIFICACION
Análisis aproximado análisis elemental
% peso % peso orgánicos
Combustible
H2O Ceniza Fracciónorgánica
C H O N S
carbonAceites vegetales
PajaMadera tratadaMadera no tratada
Pasto / plantasLodoPurin
11.50
12.714.619.824.232.543.6
8.506.44.41.85.5
25.717.2
80.010080.981.078.470.341.839.2
78.275.448.951.550.849.750.250.2
4.911.76.06.06.16.07.16.5
13.312.943.941.342.742.734.934.6
1.500.81.20.41.35.65.2
1.700.20.10.10.21.80.9
PROPIEDADES DE PROPIEDADES DE BIOCOMBUSTIBLESBIOCOMBUSTIBLES
Restos OrgánicosRestos orgánicos secundarios
Residuos de CosechasPlantas Energéticas
Cosecha, Acopio y Materialización
Preparación (Prensado, secado, Humectado, mezclado, etc)
Transporte (Camión, Tractor,Correa transportadora, barco, etc.)
Almacenamiento (estanques,Silos, etc.)
Conversión Termo-Química
ConversiónFísico-Química
ConversiónBio-Química
Carbonización Gasificación Pirolisis Prensado/ Extracción
Esterificación
FermentaciónAlcohólica
DigestiónAnaeróbica
DigestiónAeróbica
Carbón Gas Aceite de Pirolisis
Aceite Vegetal
Metilester
Etanol Biogas
Combustiblesólido
Combustiblegaseoso
Combustibleliquido
CombustiónCalorEnergía eléctrica (fuel cell) Energía Térmica
Trabajo MecánicoConversión Térmica
a mecánica
Pirólisis
• Proceso de oxidación parcial y controlada (quemado casi en ausencia de aire, λ = 0)), a temperatura elevada– Permite obtener como producto una
combinación variable de combustibles sólidos (carbón vegetal), líquido (efluente piroleñoso) y gaseosos (gas pobre).
Etapas de la pirólisis•Hasta los 120 ° C: una pérdida de agua y de otros productosvolátiles (deshidratación de la materia orgánica).•A los 275 °C: desoxigenación y desulfuración, por lo que seefectúa la disociación molecular de agua y dióxido de carbono, y comienza laliberación de sulfuro de hidrógeno. •Entre los 340 ° C: empieza la rotura de enlaces en compuestos alifático, por loque se da la liberación de metano y otros compuestos alifáticos ligeros.•Hasta los 380 ° C: comienza la etapa de carbonización (concentración decarbón en los residuos).•A los 400 ° C se rompen los enlaces C-N y C-O.•Entre los 400 y 600 ° C se lleva acabo la descomposición de los materialesbituminosos; generándose aceites y alquitranes como productos secundariosde la pirólisis.•A los 600 ° C se efectúa el craking del material bituminoso, generándosehidrocarburos gaseosos de cadena corta e hidrocarburos aromáticos.•Por arriba de los 600 ° C se generan los compuestos aromáticos volátiles.
Ventajas de la Pirólisis•Permite transformar a muchos procesos industrialeslineales en cíclicos•Maneja todo tipo de material orgánico con alto valor calórico•Los residuos se transforman en una fuente de energía que en una pequeña proporción mantiene el sistema, siendo el resto utilizable.• Permite tratar los lodos de las plantas de tratamiento.•Sistema cerrado: no genera emisiones•Desventaja principal: alto costo de inversión, el cual puede ser recuperable
Combustibles producidos• Aceites que resultan de condensar los vapores de la
pirólisis, con poder calorífico de 25 MJ por kg(contiene hidrocarburos aromáticos).
• Gas formado por monóxido de carbono, metano e hidrógeno, además de una gran cantidad de dióxido de carbono, con poder calorífico de 8 a 15 MJ por m3, contra 34,8 del gas natural
• Sólidos carbonosos constituidos por carbones, alquitranes y cenizas. El carbón vegetal producido tiene poco azufre, luego es ambientalmente amigable, con poder calorífico de 25 a 30 MJ por kg.
Tipos de Tecnologías de Pirólisis
• Pirólisis convencional. Se lleva a cabo con temperaturas inferiores a 500 ºC, bajas velocidades de calentamiento y tiempos de residencia de entre medio minuto y cinco minutos. Se obtienen cantidades parecidas de sólido, líquido y gas.
• Pirólisis rápida o "flash" a altas temperaturas. Se maximiza el rendimiento a gas con altas temperaturas (mayores de 700 ºC), con velocidades de calentamiento altas y cortos tiempos de residencia.
Reactor Pirolítico• El reactor pirolítico, consta de una retorta
(cámara) calentada con gas, hermética y revestida con una chaqueta aislante.
o La retorta gira lentamente y tiene una
pequeña inclinación en el sentido de alimentación hacia la descarga.
o Los residuos son alimentados a través de
un sello que abre intermitentemente y son sometidos a la temperatura requerida en una atmósfera deficiente o libre de oxígeno.
Restos OrgánicosRestos orgánicos secundarios
Residuos de CosechasPlantas Energéticas
Cosecha, Acopio y Materialización
Preparación (Prensado, secado, Humectado, mezclado, etc)
Transporte (Camión, Tractor,Correa transportadora, barco, etc.)
Almacenamiento (estanques,Silos, etc.)
Conversión Termo-Química
ConversiónFísico-Química
ConversiónBio-Química
Carbonización Gasificación Pirolisis Prensado/ Extracción
Esterificación
FermentaciónAlcohólica
DigestiónAnaeróbica
DigestiónAeróbica
Carbón Gas Aceite de Pirolisis
Aceite Vegetal
Metilester
Etanol Biogas
Combustiblesólido
Combustiblegaseoso
Combustibleliquido
CombustiónCalorEnergía eléctrica (fuel cell) Energía Térmica
Trabajo MecánicoConversión Térmica
a mecánica
Biodiesel
• Según la definición de American Standardsfor Testing and Materials):
• ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga derivados de lípidos renovables tales como aceites vegetales y que se emplean en:– motores de ignición de comprensión (motores
diesel)– calderas de calefacción
Historia del Biodiesel• 1900 Rudolf Diesel: Aceite de mani• 1920 Shay: Aceite de palma • 2ª Guerra Mundial: Aceites vegetales • Crisis del petróleo
(1973-1979): Aceites vegetales • 1980: Dilución de aceite en gasóleo, Mezcla
de aceite y disolvente, Pirólisis del aceite
• Situación actual: Procesos de transesteriferificación catalítica de aceites vegetales
Prensado / Extracción/Biodiesel
• Se somete el aceite a un proceso de transesterificacion (hidrólisis de losenlaces ester de los trigliceridos)– En el proceso se libera glicerina– Las cadenas de los ácidos grasos
reaccionan con un alcohol, formando el biodiesel
Proceso
• Se usa un catalizador (KOH)– Genera como residuo glicerina
• A partir de 1,05 t de aceite con 0,11 t de metanol se pueden obtener 1 t de ester metílico(biodiesel) para dar un residuo de 0,1 t de glicerina y 0,023 t de ácidos grasos
• La glicerina, es un subproducto que puede venderse a las fábricas de jabón.
Reacción química
Producción de Biodiesel
Ventajas del biodiesel• Es un combustible ecológico de origen renovable • Es seguro, fácil para transportarlo y almacenarlo.• Es biodegradable como el azúcar• ES 10 veces menos tóxico que la sal de cocina• Tiene un punto de inflamación aproximadamente
de 150 ° C, comparado al diesel su punto de inflamación es 50 ° C.
• Su uso reduce aproximadamente en 80% las emisiones de anhídrido carbónico y un 100% las de dióxido de azufre
Continuación• Disminuye en 90% la cantidad de hidrocarburos
totales no quemados y entre el 75%- 90% en los hidrocarburos aromáticos.
• El uso de biodiesel puede extender la vida de los motores por que posee mejor calidad lubricante que el diesel.
• Los derrames en las aguas de ríos y mares son menos contaminantes que otros combustibles.
• Los olores de la combustión son aromas de palomitas de maíz o papas fritas.
• En diversos estudios realizados, se demostró que el biodiesel reduce en un 90% el riesgo de contraer cáncer.
Desventajas del Biodiesel• A bajas temperaturas puede llegar a
solidificarse y producir obstrucciones en los conductos.
• Por sus propiedades solventes, puede ablandar y degradar ciertos materiales como el caucho natural y la espuma de poliuretano. Se tiene que cambiar algunas mangueras del motor antes de usar el biodiesel (vehículos antiguos).
• Produce un mayor consumo en los vehículos debido a que tiene menos poder calorífico y tarda más tiempo en combustionar.
Principales productoresa nivel mundial
Producción mundial de biodiesel (1991 a 2005)
La producción se ha cuadruplicado,mientras que la producción de bioetanolsolo creció al doble y la de petróleo creció un 7%
Biodiesel:• Se obtiene a partir
de:– Aceite comestible en
desuso (aceite recocido)
– Aceites vegetales (“rapeseed”) colza, canola o raps) (Chile)
– Girasol(oleaginosasen EU)
– Soya(Argentina)– Palmera africana
(Brasil)6/21/2012 76
ERNC y tercer mundo• ERNC (Energías Renovables No
Convencionales, en Chile)• ¿Qué tipo de energía: fotovoltaica, eólica,
Hidrógeno, o biomasa?• Respuesta lógica: para pequeños villorios en
zonas tropicales, indudablemente, biomasa (si es posible), en forma de por ejemplo, biodiesel, fabricado a partir de aceites vegetales
6/21/2012 77
Ya es tiempo de introducir ejemplos de la ECONOMÍA AZUL
• 2004: Centro de Investigación Ambiental “Las Gaviotas”, inauguró la primera planta de producción de biodiesel, a partir de aceite de palma (de una zona tropical)
• La productividad posible de obtener por hectárea por año es muy superior a la que se alcanza en zonas templadas donde se ha estudiado en detalle(Europa, Japón y USA) 6/21/2012 78
segunda ventaja:
• El proceso de extracción de aceites es mucho más sencillo:– A menudo es suficiente llevar a cabo una
filtración, comparado con la necesidad de esterificar de zonas templadas y remover la glicerina para prevenir el congelamiento en el invierno, para lo cual se usan sustancias tóxicas (metanol, soda cáustica)
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Además (otras ventajas):• Las plantas tropicales tienden a producir
aceites vegetales, cuyas características de combustión son MUY superiores a los tipos de diesel usados en el hemisferio norte (tanto biodiesel o fósiles)
• Además el biodiesel tropical es rico en oxígeno.
• Luego esto: se mejora la combustión y se reduce la formación de particulado en un 85%
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y por supuesto no hay que olvidar que:
• El biodiesel es neutro en carbono, ya que es un combustible renovable– Su quema no contribuye al cambio
climático, y:• Por el contrario:
– Debido a que la cosecha anual de frutas es la única que se usa para obtener energía, el resto de los árboles continúan fijando carbono
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La gran innovación es otra:
• Las Gaviotas reconvirtieron 8000 ha nuevamente en selva tropical– El experimento fue conducido en la región
de Vichada, bordeando el río Orinoco en el lado este de Colombia
– Tomando un poco más de 2 décadas el equipo liderado por Paolo Lugari, demostró que es posible transformar totalmente la ecología de una región
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En concreto:• Simbiosis entre pino
caribeño (PinusCaribbea) y hongos micorriticos (Pisolithustinctorius) convirtieron la sabana en bosque, por medio de:
• El monocultivo reacondicionó el suelo, la hidrología y el microclima, seguida por
• Acción de las fuerzas naturales para crear un bosque de gran diversidad
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Resultados:• De las 1.100
especies de palmas originales, 100 han mostrado ya ser adecuadas para la producción de biodiesel
• Un total de 250 se han dejado crecer sin problemas
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Que orgullosos deben estar
6/21/2012 85Ingenieros colombianos y americanos (Colorado)
Paolo Lugari
Tractores a Biodiesel:
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Restos OrgánicosRestos orgánicos secundarios
Residuos de CosechasPlantas Energéticas
Cosecha, Acopio y Materialización
Preparación (Prensado, secado, Humectado, mezclado, etc)
Transporte (Camión, Tractor,Correa transportadora, barco, etc.)
Almacenamiento (estanques,Silos, etc.)
Conversión Termo-Química
ConversiónFísico-Química
ConversiónBio-Química
Carbonización Gasificación Pirolisis Prensado/ Extracción
Esterificación
FermentaciónAlcohólica
DigestiónAnaeróbica
DigestiónAeróbica
Carbón Gas Aceite de Pirolisis
Aceite Vegetal
Metilester
Etanol Biogas
Combustiblesólido
Combustiblegaseoso
Combustibleliquido
CombustiónCalorEnergía eléctrica (fuel cell) Energía Térmica
Trabajo MecánicoConversión Térmica
a mecánica
Etanol:
• Biocombustible más usado hoy en día• Se puede elaborar:• mediante fermentación de productos
azucarados (caña de azúcar y remolacha)– De granos de cereales (trigo, cebada,
maíz) previa hidrólisis o transformación de azúcares fermentables del almidón contenido en ello
– De papas6/21/2012 88
Uso:• Sustituye la gasolina,
ya sea como único combustible o en mezclas, las que dependen del tipo de clima (más favorable en climas cálidos)– Etanol puro: motores
especiales– Mezclas: no requiere
cambios en vehículos, pero debe ser deshidratado6/21/2012 89
Fermentación Alcohólica
• Es un proceso de descomposición bioquímica directo:– Un material que contiene glucosa, se
descompone químicamente en presencia de oxigeno usando enzimas (catalizadores orgánicos) para formar etanol y dióxido de carbono
Materias primas y proceso• Las materias primas que tienen azúcares
fáciles de extraer y transformar– (semillas de cereal y de maíz, tubérculos, caña de
azúcar, materias celulósicas y hemicelulósicas(paja, madera), etc)
• Mediante la fermentación de las materias azucaradas de los vegetales se obtiene bioetanol, (C2H5OH)– Se utiliza en los motores de encendido por
chispa, mezclado con la gasolina o como único combustible
Usos del bioetanol
• Son:1. la fabricación del ETBE,2. mezcla directa con gasolina,3. como combustible principal en los motores de gasolina o4. mezcla directa con diesel.
En relación al índice de octanos
• El aditivo que se añade a la gasolina para aumentar el índice de octanos es el metil terciario buril éter, MTBE, que se obtiene del metanol. – Es un producto derivado del gas natural o del carbón, un
líquido tóxico que inicia la evaporación a temperaturas moderadas, a partir de 34 ºC.
• bioetanol en forma de ETBE. Cumple mejor tal objetivo por razones físicas de mezcla y produce menos contaminación residual que el MTBE.– Es la mejor vía para introducir la biomasa en el suministro
de combustibles de automoción. Puede alcanzarse con ella hasta el 5% del consumo de gasolinas.
Ventajas del Bioetanol• Las ventajas de usar el bioetanol son:
1. Mejora del índice de octanos2. Mayor calor de vaporización3. Temperatura de llama menor, consiguiéndose una menor pérdida
de calor por radiación4. Mayor volumen de gases en la combustión, lo que significa una
mayor presión y una mayor energía mecánica producida.
5. Velocidad de llama mayor, esto se traduce en un desarrollo más eficiente del par del motor.
6. Mejora la biodegradabilidad de la gasolina.
7. Reduce el número de compuestos aromáticos en la gasolina, y por lo tanto, reduce las emisiones de benceno a la atmósfera.
Desventajas
• Eleva la presión de vapor (esto se produce en la mezcla directa)
• Tiene afinidad por el agua.
producción de bioetanol a partir de cereales con el método de molienda seca
Formación de etanol mediante el método de molienda húmeda
hidrólisis ácida para la producción de Bioetanol
Restos OrgánicosRestos orgánicos secundarios
Residuos de CosechasPlantas Energéticas
Cosecha, Acopio y Materialización
Preparación (Prensado, secado, Humectado, mezclado, etc)
Transporte (Camión, Tractor,Correa transportadora, barco, etc.)
Almacenamiento (estanques,Silos, etc.)
Conversión Termo-Química
ConversiónFísico-Química
ConversiónBio-Química
Carbonización Gasificación Pirolisis Prensado/ Extracción
Esterificación
FermentaciónAlcohólica
DigestiónAnaeróbica
DigestiónAeróbica
Carbón Gas Aceite de Pirolisis
Aceite Vegetal
Metilester
Etanol Biogas
Combustiblesólido
Combustiblegaseoso
Combustibleliquido
CombustiónCalorEnergía eléctrica (fuel cell) Energía Térmica
Trabajo MecánicoConversión Térmica
a mecánica
Etapas de la fermentación bacteriana
Biodigestor: modelo hindúPosee cámara flotanteque recoge los gases
Produce 0,5 a 1 m3
de biogas por volumende reactor por día
Alcanza una máximaeficiencia de 50 % en 15 a 20 días
Biodigestor: modelo chino
Produce 0,15 a 0,2 m3
por m3 por día
Alcanza una máximaeficiencia de 50 % en 30 a 60 días
Digestores de lecho fijo: Filtros anaerobios
• Esquema • Impide el arrastre de biomasamediante un lecho inerte, sobreel cual se fijan losmicrorganismos
• Los soportes son de plástico, silicatos ,entre otros, con superficie específica entre 100 a 200 m2/m3
• Adecuado para aguas con cargas contaminantes de 10 a 20 g de DQO/L y relativamentepocos sólidos en suspensión(200 a 300 g/m3), con tiemposde retención de 0,5 a 3 días. La velocidad de ascensión del afluente debe ser baja (de 0,01 a 0,1 m/h)
MANTO
afluentecrudo
líquido sobren.
lodo descartado
gas
Digestores de lecho expandido o fluidizado
• esquema • Bacterias adheridas a partículasinertes (arenas, plásticos,etc)
• Expansión del lecho del 20%: expandido, del 100%:fluidizado
• Superficie específica: 1000 a 4000 m2/m3
• Afluentes con elevadas cargasde contaminación (10 a 40 g DQO/L, con sólidos en suspension entre 20 a 100 g/m3
, tiempos de residencia entre0,3 a 1 día y velocidades de ascension de líquido entre 2 a 10 m/h en el lecho expandido y de 6 a 20 m/h en el lechofluidizado
efluente
LECHO EXPANDIDOO FLUIDIF.
afluente
gas
Digestores de manto de lodos : UASB
• Esquema • Upflow anaerobic sludge blanket
• Los lodos (biomasa) floculan y coagulan sin necesidad de soporte
• El gas producido mantiene la biomasa en suspensión
• Se usa para DQO entre 10 a 20 g/L, con baja concentración de sólidos (20 a100 g/m3)
• Tiempos de retención es de 1 a 2 días
• Se usa para efluentes con materias fácilmente digeribles
CAPA DE LODO
efluente
MANTO DE LODO
afluente
gas
Eficiencia de degradación anaeróbica
• Para un poder calorífico de biogas de 4.500 a 6.300 kcal/m3 y combustión completa se puede:– Hacer funcionar una máquina de 2 hp por 2 horas– Proveer 1,25 kWh de electricidad– Permitir cocinar 3 comidas para 3 personas– Proporcionar 6 horas de luz equivalente a una
ampolleta de 60 W– Refrigerar de 1 m3 por 1 hora– Incubar un 1 m3 por 0,5 horas
Eliminación de CO2
• La forma más sencilla de eliminar el CO2 consiste en absorber el gas en agua. – Sin embargo requiere mucha agua (489 L
para absorber 1 m3 de biogas (35% de CO2)
Mejor sería• es mejor absorber en solución alcalina como NaOH,
Ca(OH)2 y KOH– 2 NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O– Na2CO3 + CO2 + H2O↔2NaHCO3 ↓
la cal apagada es más barata y disponible en la mayor parte de las localidades:Ca(OH)2 + CO2→CaCO3 ↓ + H2OUna mezcla de 1 kg de cal apagada en 1 m3 de aguabasta para remover casi 3 L de CO2 o 86 L de biogas (35% CO2)
Eliminación de H2S• El Na2CO3 puede ser usado para eliminar el
ácido sulfídrico (H2S), partiendo de la base de que el tiempo de contacto es lo suficientemente largo para que ocurra la reacción:
H2S + Na2CO3 → NaHS + NaHCO3 ↓
Digestor anaeróbico
VG
V
Membranas
Tratamiento anaeróbico
Oxidación química
Oxidación con aire húmedoAdsorción
Oxidación Reducción
Adsorción con carbón
Resinas poliméricas
Desorción con aire o vapor de
agua
Precipitación
Filtración
Biofiltración
Sorción
Oxidación
Intercambio Iónico Osmosis Inversa
DescargaReciclo o
Tratamiento
Metales Pesados Químicos Orgánicos Volátiles: Orgánicos, Amoniaco
Ril de proceso
Tratamiento de riles al Interior de la industria
Estrategia general deTratamiento de riles
Potencial combustible que se daña: Planta el Trebal
Restos OrgánicosRestos orgánicos secundarios
Residuos de CosechasPlantas Energéticas
Cosecha, Acopio y Materialización
Preparación (Prensado, secado, Humectado, mezclado, etc)
Transporte (Camión, Tractor,Correa transportadora, barco, etc.)
Almacenamiento (estanques,Silos, etc.)
Com
bustiblesólido
Conversión Termo-Química
ConversiónFísico-Química
ConversiónBio-Química
Carbonización Gasificación Pirolisis Prensado/ Extracción
Esterificación
FermentaciónAlcohólica
DigestiónAnaeróbica
DigestiónAeróbica
Carbón Gas Aceitede Pirolisis
Aceite Vegetal Metilester
Etanol Biogas
Combustiblesólido
Combustiblegaseoso
Combustibleliquido
CombustiónCalorEnergía eléctrica (Fuel cell) Energía Térmica
Trabajo MecánicoConversión Térmica
a mecánica
Combustión
CalorEnergía TérmicaTrabajo Mecánico
Conversión Térmicaa mecánica
Eólica Hidroeléctrica Química Térmica Nuclear
Fósiles Biomasa
Tipos Energías
Geotérmica Solar
Energía Eléctrica
Fin de la Presentación
Gracias por su atención
Universidad de Santiago de ChileFacultad de Ingeniería
Diplomado en Energía y Desarrollo Sustentable
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