Torrefacción de pino utilizando un reactor rotatorio a escala piloto: experimentación, cinética y simulación del proceso utilizando Aspen Plus(tm)
Autores: Hazra, Suchandra; Morampudi, Prithvi; Prindle, John C.; Fortela, Dhan Lord B.; Hernandez, Rafael; Zappi, Mark E.; Buchireddy, Prashanth
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Torrefacción de pino utilizando un reactor rotatorio a escala piloto: experimentación, cinética y simulación del proceso utilizando Aspen Plus(tm)
Categoría
Ciencias Medioambientales
Subcategoría
Desarrollo sostenible
Palabras clave
Biomasa
Torrefacción
Temperatura
Tiempo de residencia
HHV
Rendimiento sólido
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 32
Citaciones: Sin citaciones
La biomasa es una excelente fuente de energía sostenible y carbono neutral; sin embargo, su uso como sustituto del carbón/coca de petróleo en aplicaciones térmicas presenta varios desafíos. Varias propiedades inherentes de la biomasa, incluyendo el valor calorífico superior (HHV), la densidad a granel y su naturaleza hidrofílica y fibrosa, contribuyen a los desafíos para su uso como combustible sólido. La torrefacción o pirólisis suave es una tecnología de pretratamiento térmico bien aceptada que resuelve la mayoría de los desafíos mencionados anteriormente y resulta en un producto con propiedades superiores similares al carbón. La torrefacción implica el calentamiento de la biomasa a temperaturas moderadas, típicamente entre 200 grados C y 300 grados C, en una atmósfera no oxidante. Este estudio se centró en evaluar la influencia de la temperatura de operación de la torrefacción (204-304 grados C) y el tiempo de residencia (10-40 min) en las propiedades del pino. Se realizaron pruebas en un reactor rotativo indirectamente calentado de 0.3 toneladas/día. La influencia de las condiciones operativas de la torrefacción en el pino se evaluó en términos de la composición de los sólidos torrefactados, el rendimiento de masa, el rendimiento energético y el HHV utilizando un modelo simulado desarrollado en el software Aspen Plus(tm). Se estableció un modelo cinético basado en los datos experimentales generados. Un aumento en la severidad de la torrefacción (aumento de la temperatura y el tiempo de residencia) resultó en un aumento en el contenido de carbono, acompañado de una disminución en oxígeno e hidrógeno. Los resultados del modelo simulado sugieren que los rendimientos sólidos y energéticos disminuyeron con un aumento en la temperatura y el tiempo de residencia. El rendimiento sólido varió del 80% a 204 grados C al 68% a 304 grados C, y el rendimiento energético varió del 99% a 204 grados C al 70% a 304 grados C, respectivamente. Por otro lado, el HHV mejoró de 22.8 a 25.1 MJ/kg con un aumento en la temperatura a 20 minutos de tiempo de residencia. En el rango de 10 a 40 minutos de tiempo de residencia a 260 grados C, los rendimientos sólidos y energéticos variaron del 77% al 59% y del 79% al 63%, respectivamente; sin embargo, el HHV solo aumentó en un 3%. Los datos simulados de rendimiento sólido, rendimiento energético y HHV estaban dentro del margen de error del 5% en comparación con los datos experimentales. La validación de los parámetros de simulación se logró mediante la conformidad de los datos experimentales y de simulación obtenidos bajo las mismas condiciones de prueba. Estos parámetros simulados pueden ser utilizados para estudiar otras condiciones operativas fundamentales para la comercialización de estos procesos. La temperatura de torrefacción deseable para lograr el mayor rendimiento de combustible sólido se puede determinar utilizando los datos de rendimiento energético y pérdida de masa.
Descripción
La biomasa es una excelente fuente de energía sostenible y carbono neutral; sin embargo, su uso como sustituto del carbón/coca de petróleo en aplicaciones térmicas presenta varios desafíos. Varias propiedades inherentes de la biomasa, incluyendo el valor calorífico superior (HHV), la densidad a granel y su naturaleza hidrofílica y fibrosa, contribuyen a los desafíos para su uso como combustible sólido. La torrefacción o pirólisis suave es una tecnología de pretratamiento térmico bien aceptada que resuelve la mayoría de los desafíos mencionados anteriormente y resulta en un producto con propiedades superiores similares al carbón. La torrefacción implica el calentamiento de la biomasa a temperaturas moderadas, típicamente entre 200 grados C y 300 grados C, en una atmósfera no oxidante. Este estudio se centró en evaluar la influencia de la temperatura de operación de la torrefacción (204-304 grados C) y el tiempo de residencia (10-40 min) en las propiedades del pino. Se realizaron pruebas en un reactor rotativo indirectamente calentado de 0.3 toneladas/día. La influencia de las condiciones operativas de la torrefacción en el pino se evaluó en términos de la composición de los sólidos torrefactados, el rendimiento de masa, el rendimiento energético y el HHV utilizando un modelo simulado desarrollado en el software Aspen Plus(tm). Se estableció un modelo cinético basado en los datos experimentales generados. Un aumento en la severidad de la torrefacción (aumento de la temperatura y el tiempo de residencia) resultó en un aumento en el contenido de carbono, acompañado de una disminución en oxígeno e hidrógeno. Los resultados del modelo simulado sugieren que los rendimientos sólidos y energéticos disminuyeron con un aumento en la temperatura y el tiempo de residencia. El rendimiento sólido varió del 80% a 204 grados C al 68% a 304 grados C, y el rendimiento energético varió del 99% a 204 grados C al 70% a 304 grados C, respectivamente. Por otro lado, el HHV mejoró de 22.8 a 25.1 MJ/kg con un aumento en la temperatura a 20 minutos de tiempo de residencia. En el rango de 10 a 40 minutos de tiempo de residencia a 260 grados C, los rendimientos sólidos y energéticos variaron del 77% al 59% y del 79% al 63%, respectivamente; sin embargo, el HHV solo aumentó en un 3%. Los datos simulados de rendimiento sólido, rendimiento energético y HHV estaban dentro del margen de error del 5% en comparación con los datos experimentales. La validación de los parámetros de simulación se logró mediante la conformidad de los datos experimentales y de simulación obtenidos bajo las mismas condiciones de prueba. Estos parámetros simulados pueden ser utilizados para estudiar otras condiciones operativas fundamentales para la comercialización de estos procesos. La temperatura de torrefacción deseable para lograr el mayor rendimiento de combustible sólido se puede determinar utilizando los datos de rendimiento energético y pérdida de masa.