resumen - Feagri

Investigaciones conjuntas Cuba UNICAMP sobre pirólisis de
materiales lignocelulósicos.
Luis Ernesto Brossard Pérez, Margarita Penedo Medina
Universidad de Oriente.
Ave. Las América S/N
CEP. 90400
Santiago de Cuba
CUBA
L.A.B. Cortéz, G. Bezzon, E. Olivares
UNICAMP,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 avaliamse 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 Bioóleo 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
 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 :
Variables
codificadas
X1 densidad aparente
(kg/m3)
X2. tiempo a la
temperatura
final
(min)
X3 : temperatura final
(ºC)
Inferior
231
niveles
Superior
370
0
30
400
450
El procesamiento estadístico de los
resultados obtenidos dio el siguiente modelo
matemático para un nivel de significación  = 0.05 y
un R2=93.9%
Re n dim iento de carbón
%
  28,28  0,94X 1  2,46X 2  0,68X 3  0,73X 1 X 2
 bagaso base sec a 


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:
% carbono
fijo
Carbón de bagazo
55 – 76
Carbón de cáscara
45 – 49
de arroz
% cenizas
4–8
45 - 48
Pirólisis lenta a presión atmosférica.
El alto contenido de cenizas del carbón de
cáscara de arroz parece ser un serio impedimento
para su uso posterior como combustible.
El convencional proceso de carbonización
ha formado parte de los estudios conjuntos
UNICAMP – Universidad de Oriente. Se ha
trabajado en dos direcciones principales:
Por otro lado y bajo condiciones similares
excepto por la aplicación de un pequeño vacío en el
Pirólisis al vacío.
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).
Re n dim iento de condensables
 43  X 1  2 X 2  X 3  X 2 X 3
%

 bagaso base sec a 


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
Variables codificadas
X1 densidad aparente
(kg/m3)
X2 tiempo a la
temperatura final (min)
X3 temperatura final (ºC)
X4velocidad de
calentamiento(ºC/min)
niveles
Inferior Superior
263.8
362.4
0
20
425
425
475
475
El rendimiento de líquidos en estas
condiciones obedece al siguiente modelo
Re n dim iento de condensables
 50,55  4,14X 4  2,56X 1  1,92X 3 X 4  2,17X 1 X 3
%

 bagaso base sec a 


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.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Levoglucosan
Ciclopropilcarbinol
4-metil-2(5H)-furanona
2(5H)-furanona,3metil
Ácido acético
4-etilfenol
4-metilfenol
4-metoxifenol
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
provenientes de
AGRENER, 2000A.
residuos
lignocelulósicos”.
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
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.
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.
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.
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.
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
9. BROSSARD, L.E., B. LABRADA,
L.A.B. CORTEZ. “Distribución del tamaño de
poros en carbones activados. Influencia del
tratamiento magnético”. Próxima publicación.
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