Materias primas para pélets industriales

BIOMASA
Fundación Asturiana de la Energía (FAEN)
Materias primas para pélets industriales
En 2010 los miembros del Consorcio del proyecto Pélet In comenzaron a trabajar en el diseño
y fabricación de un pélet para ser utilizado en aplicaciones industriales. Dadas las exigencias
que imponen los principales consumidores de pélets industriales, el objetivo es fabricar un pélet
formado por mezclas de biomasas de madera y con unas características de calidad suficientes
para ser utilizado en calderas industriales a un coste inferior al del pélet doméstico.
E
n el proyecto participan el Instituto
Nacional del Carbón (CSIC-INCAR),
como organismo investigador, la fábrica de pélets, Pélets Asturias, la empresa
Hulleras del Norte (HUNOSA) que está probando los pélets industriales en su central
eléctrica de La Pereda y la Fundación Asturiana de la Energía (FAEN) que coordina el
proyecto. El proyecto está financiado parcialmente por el Ministerio de Economía y
Competitividad, a través del subprograma
INNPACTO, mediante fondos procedentes
del Fondo Europeo de Desarrollo Regional
(FEDER) y fondos propios.
El CSIC-INCAR se encarga de concretar la
composición, caracterizar los parámetros
físico-químicos y definir las características de
fabricación de un pélet a partir de mezclas
de distintas biomasas.
La selección de materias primas tuvo en
cuenta la disponibilidad en la zona de estudio, el noroeste peninsular, y las restricciones
que establecen los grandes consumidores de
pélets industriales. Considerando ambas, las
biomasas finalmente seleccionadas para el
análisis fueron el serrín de pino, como material de referencia, el castaño y el chopo, además de residuos de industrias agroalimentarias, cascarilla de cacao y residuos de café.
Grafica 1. Durabilidad frente a T para pélets de PIN.
58
Muestra
Análisis Inmediato
Humedad (%)
Cenizas (%, bs)
Materia volátil (%, bs)
Carbono fijo* (%, bs)
Análisis elemental (%, bs)
C
H
N
S
O*
PCS (kcal/kg, bs)
PCI (kcal/kg, bs)
PIN
CAS
CHP
CAC
CAF
9,2
0,6
84,6
14,8
8,5
0,3
82,7
17,0
14,0
1,3
83,4
15,4
4,9
8,3
71,2
20,5
9,9
7,3
73,58
19,1
50,8
6,2
0,3
0,0
42,1
4786
4481
49,5
5,7
0,3
0,0
44,2
4566
4285
49,9
5,9
0,2
0,0
44,0
4706
4417
49,4
6,0
2,9
0,2
33,2
4757
4461
47,9
5,6
3,3
0,2
32,5
4705
4423
* Calculado por diferencia
bs: base seca
PIN: Pino; CAS: Castaño; CHP: Chopo; CAC: Cascarilla de cacao; CAF: Residuos de café
Tabla 1. Análisis de las biomasas utilizadas para la fabricación de pélets.
La caracterización de la composición consistió en realizar un análisis inmediato y un
análisis elemental así como determinar el
poder calorífico, de acuerdo con normas estándar.
Los resultados indican que todas las
muestras presentan un contenido elevado
de materia volátil, típica de la biomasa. Las
biomasas procedentes de residuos forestales presentan unos contenidos de ceniza
bajos mientras que son bastante superiores en el caso de los residuos de la industria agroalimentaria. En lo que se refiere
al contenido en azufre, éste es muy bajo,
siendo nulo en el caso de las biomasas procedentes de la industria forestal. El poder
calorífico inferior es similar para todas las
muestras y alcanza valores del orden de
4.700 Kcal/kg.
Definidas las materias primas, es necesario
evaluar sus propiedades una vez peletizadas.
Para ello, se fabricaron pélets en una peletizadora a escala semi-piloto. Se obtuvieron
pélets de pino (PIN), de castaño (CAS), de
chopo (CHP), de mezclas de pino y castaño
(PIN-CAS), pino y chopo (PIN-CHP), pino y
cascarilla de cacao (PIN-CAC) y pino y residuo de café (PIN-CAF).
Gráfica 2. Durabilidad frente a T para mezclas de Pino y Chopo.
energética
xxi
· Nº 135 · SEP13
BIOMASA
La fabricación de pélets en la peletizadora a
escala semi-piloto está muy influenciada por
el contenido en humedad de la biomasa y
por la temperatura del proceso. Se llevaron a
cabo ensayos con pino con diferentes humedades desde el 10 hasta el 20% y se tomaron muestras de pélets a lo largo del proceso
a diferentes temperaturas para evaluar su
durabilidad mecánica (DU), que es el principal parámetro limitante de este combustible
(DU >97% para el mercado eléctrico).
En la gráfica 1 se puede observar que los
pélets de serrín de pino al 20% de humedad
presentaron una durabilidad muy baja. Por
su parte, las muestras con un 10% de humedad no suponían una mejoría con respecto a
muestras con mayor humedad. A partir de
estos ensayos se concluyó que la humedad
óptima de las muestras de biomasa ha de
encontrarse entre el 12 y el 15%.
Tras la producción de pélets de mezclas de
biomasas, se seleccionaron, en base a los requisitos de durabilidad, las mezclas óptimas:
pino con un 30% de castaño y pino con un
30% en masa de chopo.
En el caso de mezclas de PIN-CAC y de
PIN-CAS, debido su contenido elevado de
cenizas, la mezcla óptima se reduce a porcentajes del 15% para el cacao y 10% para
el café.
En la Tabla 2 se pueden observar los valores
de durabilidad para las biomasas individuales y para las ‘mezclas óptimas’. En la gráfica
3 se muestran los valores de durabilidad de
estos mismos pélets en función de la temperatura.
Los ensayos realizados han concluido que
los pélets de mezclas pino con chopo, pino
con cascarilla de cacao y pino con café, presentan una durabilidad superior a los del
pino, apreciándose por tanto efectos sinérgicos en el comportamiento de las mezclas.
Con el fin de evitar dificultades asociadas
con el uso de biomasa a escala industrial y
facilitar la utilización de biomasa en la generación eléctrica, se plantea el uso de biomasa
torrefactada y pélets de ella.
La torrefacción es un tratamiento a temperatura moderada, por debajo de 300 °C,
normalmente en atmósfera inerte. Este tratamiento disminuye el contenido de humedad y de volátiles. De este modo se consigue
aumentar la densidad energética de la biomasa, produciendo un sólido seco, parcialmente carbonizado, y cuyas propiedades de
molienda mejoran notablemente.
energética
xxi
· Nº 135 · SEP13
PIN
DU3000 (%)
98,8
CAS
98,8
PINCAS(30%)
CHP
98,4
98,8
PINCHP(30%)
PINCAC(15%)
99,3
99,1
PIN-CAF(10%)
98,8
Tabla 2. Durabilidad de biomasas y mezclas.
Gráfica 3. Durabilidad frente a temperatura de biomasas y mezclas.
Muestra
Condiciones de operación
Temperatura (°C)
Alimentación (g/min)
Inclinación tubo (°)
Velocidad tubo (rpm)
Tiempo de residencia (min)
Rendimiento en masa (%)
Análisis inmediato (% bs)
Materia volátil
Cenizas
Análisis elemental (% bs)
C
H
N
S
O*
PCS (kcal/kg, bs)
PCI (kcal/kg, bs)
Seco (bs)
Húmedo
Rendimiento en PCI húmedo (%)
* Calculado por diferencia
TPIN260
TPIN280
TPIN300
260
6
5
5
24
91,4
280
10
5
5
19,5
83,0
300
10
5
5
22,5
62,4
82,7
0,3
79,6
0,3
70,0
0,4
52,2
5,8
0,3
0,0
41,4
4932
54,3
5,6
0,2
0,0
39,5
5060
59,9
4,8
0,3
0,0
34,5
5461
4649
4231
95,1
4784
4480
91,4
5224
4586
70,3
bs: base seca
Tabla 3. Condiciones de operación y análisis de los materiales torrefactados.
En el INCAR se han realización pruebas de
torrefacción de pino. Durante los ensayos
se definió como temperatura óptima aquella para la cual se obtiene un rendimiento
de biomasa torrefactada superior al 90%.
El grado de torrefacción de las muestras se
evaluó a partir de la disminución del contenido de materia volátil con respecto al de la
muestra de pino sin torrefactar, que es de un
84,6% en base seca.
Los resultados obtenidos para las temperaturas de 260, 280 y 300°C, (TPIN260,
TPIN280, TPIN300) se muestran en la Tabla
3. Se ha seleccionado la temperatura de
280°C como óptima, ya que presenta un
rendimiento energético relativamente elevado, y los ensayos preliminares han indicado
que se mejoran sustancialmente sus propiedades de molienda con respecto al pino
original.
Para evaluar las características de los pélets torrefactados se han realizado pruebas
de peletización en continuo, ajustando la
humedad a un valor del 13%. Los pélets
obtenidos mantuvieron su forma y no experimentaron pérdida apreciable de finos
tras someterlos a sucesivos ensayos de durabilidad 7
59