Estudio de la pirólisis rápida de cisco de café en un horno con calentamiento por inducción magnética

Abstract

En el presente trabajo se implementó una tecnología para realizar la pirólisis rápida de biomasa, la cual empleó un reactor a escala laboratorio con un novedoso sistema de calentamiento por inducción magnética. Adicionalmente, se llevó a cabo una metodología experimental que permitió evaluar la pirólisis de cisco de café, el cual es un residuo abundante en plantas de beneficio y sus características fisicoquímicas indican que presenta un alto potencial de aprovechamiento en procesos termoquímicos; constituyéndose como una alternativa para futuros proyectos de biorefinería en el sector agroindustrial del café. El desarrollo experimental fue llevado a cabo en tres etapas. La primera etapa consistió en el montaje y la estandarización de un reactor en lecho fluidizado a escala laboratorio con calentamiento por inducción magnética, el cual permitió operar entre 450 y 600 ºC a una tasa de calentamiento de 900 ºC/min. En la segunda etapa, se llevó a cabo un estudio fluidodinámico de mezclas binarias de cisco de café y arena sílice para seleccionar las condiciones de operación fluidodinámicas durante la pirólisis. A partir de este estudio se seleccionaron dos tamaños de partícula de biomasa (0.45 y 1 mm), el porcentaje másico del cisco de café en la mezcla (5 % p/p), la velocidad mínima de fluidización (0.8 cm/s) y el número de fluidización (2.5). Finalmente, en la tercera etapa se desarrolló un estudio paramétrico, en este se evaluó el efecto de la temperatura y el tamaño de partícula sobre el rendimiento y la composición de los productos globales obtenidos durante la pirólisis de cisco de café. Los resultados experimentales muestran que la temperatura tuvo un efecto importante sobre el rendimiento y la composición del bioaceite, biocarbón y los gases permanentes. Mientras, que el tamaño de partícula solo afectó el rendimiento de bioaceite y gases permanentes. El máximo rendimiento de bioaceite fue obtenido cuando el reactor operó a 550 ºC con partículas de cisco de café de 1 mm, bajo estas condiciones se alcanzaron rendimientos de 51.39, 19.21 y 29.40 % p/p para bioaceite, biocarbón y gases permanentes, respectivamente. El bioaceite obtenido se caracterizó por un alto contenido de compuestos oxigenados de bajo peso molecular principalmente acetol y por un alto contenido de humedad, lo cual indicó que las reacciones de fragmentación y deshidratación fueron predominantes durante el proceso de pirólisis. Las principales especies de los gases permanentes fueron CO y CO_2, cuya composición se afectó significativamente por la temperatura; sin embargo, el efecto del tamaño de partícula no fue importante en el intervalo evaluado. Adicionalmente, se observó que la temperatura tuvo un impacto importante sobre la morfología del biocarbón.

Abstract: In the present work the pyrolysis of coffee hull was studied using a furnace with an induction heating system. Coffee hull is an abundant waste in the coffee factories and its physiochemical characteristics indicate that it has a high potential for use in thermochemical processes; which constitutes as an alternative for future biorefinery projects in the coffee industry. The experimental work was carried out in three stages. In the first stage, a fluidized bed reactor with induction heating was implemented, this one allowed to operate between 450 and 600 ºC with a heating rate of 900 ºC /min. In the second stage, a fluid-dynamic study of a sand bed was done to choose the best fluid-dynamic conditions during the pyrolysis process. As a result, two sizes of particles (0.45 y 1 mm), the weight percent of coffee hulls in the mixture (5 wt. %), the minimum fluidization velocity (0.8 cm/s) and the fluidization number (2.5) were selected. Finally, in the third stage, the effects of pyrolysis temperature and biomass particle size on the yields and composition of global products were evaluated. The pyrolysis temperature had an important impact on the yield and composition of biooil, char, and permanent gases. While the particle size had an important impact on the yield of biooil and permanent gases. The maximum biooil yield was obtained at 550 ºC up to 51.39 wt.%, with the yield of char and permanent gases being 19.21 and 29.40 wt. % respectively. The biooil had a high content of light oxygenated compounds mainly acetol and a high content of water, which indicated that fragmentation and dehydration reactions were predominant during the pyrolysis process. The major components of permanent gases were CO2 and CO, which their composition was strongly affected by the temperature, however the particle size wasn’t important in the interval evaluated. Additionally, the temperature effect had an important impact on the biochar’s morphology.