Energética

ISSN: 0120-9833
energetica_nal@unal.edu.co
Universidad Nacional de Colombia
Colombia

Arteaga-Perez, Luis Ernesto; Flores, Mauricio; Escobar, Mauricio; Segura, Cristina;

Gordon, Alfredo
Analisis comparativo de la torrefaccion humeda y seca de Pinus radiata
Energética, núm. 46, diciembre, 2015, pp. 5-12
Universidad Nacional de Colombia
Medellín, Colombia

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 Analisis comparativo de la torrefaccion humeda y
seca de Pinus radiata

Comparative Assessment of the Wet and Dry Torrefaction of

Pinus Radiata
Luis Ernesto Arteaga-Pereza*, Mauricio Floresa, Mauricio Escobara, Cristina Seguraa y Alfredo Gordonb

RESUMEN
Se comparan dos pretratamientos termoquímicos, torrefacción seca y torrefacción
húmeda (o carbonización hidrotermal-CHT), cuyo objetivo es modificar las propiedades
Recibido: Marzo 23 de 2015 físicas y químicas de madera de Pinus radiata para su uso como sustituto parcial
Recibido con revisión: Septiembre 14 de 2015 del carbón mineral en sistemas de combustión. Las variables ensayadas fueron la
Aceptado: Diciembre 01 de 2015
temperatura y el tiempo de residencia. La torrefacción seca se estudió en régimen leve
(220 ºC), medio (250 ºC) y severo (280 ºC) y exhibió mayor rendimiento energético (≈90%
máximo) que la carbonización hidrotermal (≈79.7% máximo), la cual se evaluó en un rango
similar de temperaturas (218-300 ºC). El carboncillo (bio- carbón) producido por CHT tiene un
poder calorífico superior (PCS=26.3 MJ/kg) similar al carbón mineral de rango medio (29.3
MJ/kg). Se demostró que no se obtienen mejoras considerables en el rendimiento ni
en el PCS del bio-carbón cuando se realiza la CHT por encima de 255 ºC y 1 hora. Los
productos orgánicos volátiles obtenidos en cada tratamiento tienen una composición
a*Universidad de Concepción similar, con predominio de ácidos carboxílicos, furfurales y azúcares.
Unidad de Desarrollo Tecnológico
Avenida Cordillera N°2634 PALABRAS CLAVE
Parque Industrial Coronel Torrefacción seca; Torrefacción húmeda; Pinus radiata.
Coronel - Chile
Tel.: +(56) 422661855 ABSTRACT
l.arteaga@udt.cl This work compares two thermochemical pretreatments, dry torrefaction and wet
torrefaction (or hydrothermal carbonization-HTC), which aims to modify the physical and
bUniversidad
de Concepción chemical properties of the wood of Pinus radiata for use as a partial substitute for coal in
Departamento de Ingeniería Química
combustion processes. Parameters assayed in this work were temperature and residence
time in the reactor. Dry torrefaction was studied in mild regime (220°C), medium
(250°C) and severe (280°C) and exhibited greater energy efficiency (maximum ≈ 90%)
than hydrothermal carbonization (maximum ≈ 79.7%): the latter was assayed in a similar
range of temperatures (218 – 300°C). Powder charcoal (bio-carbon) produced by HTC
Energética 46, diciembre(2015), pp. 5-12 has a higher heating value (HHV of 26.3 MJ/kg) similar to the HHV of a medium-rank coal
(29.3 MJ/kg). The assays show that considerable improvements in performance or in
ISSN 0120-9833 (impreso) the bio-carbon HHV are not obtained when the HTC process is carried above 255°C and
ISSN 2357 - 612X (en línea)
for more than 1 hour. Volatile organic products obtained in each treatment have a similar
www.revistas.unal.edu.co/energetica
© Derechos Patrimoniales composition, with a predominance of carboxylic acids, furfurals and sugars.
Universidad Nacional de Colombia
KEYWORDS
Dry-Torrefaction, Wet-Torrefaction, Pinus radiata.
6 Energética 46 diciembre (2015), pp. 5-12

1. INTRODUCCIÓN atentan contra su uso como sustituto del carbón en los sistemas
La utilización de recursos energéticos fósiles, el convencionales de combustión. Una de las vías para eliminar estas
cambio climático, los conflictos bélicos y la corta vida limitaciones es pre-tratar la biomasa mediante procesos mecánicos
proyectada para las reservas probadas y probables de como la peletización (tecnología madura) y termoquímicos:
combustibles, han conllevado a la inestabilidad mundial. (i) torrefacción húmeda y (ii) torrefacción seca (TS) (ambas en
En los últimos 40 años, el consumo de energía global desarrollo).
se ha incrementado a razón de 110 Mtep/año y en igual
periodo de tiempo las emisiones de CO2 asociadas a la Torrefacción húmeda
combustión de carbón (+8.9%) y gas natural (+5.9%) De acuerdo a [Erlach et al., 2012], la torrefacción húmeda o
se duplicaron. A pesar de los programas internacionales carbonización hidrotermal (CHT), es un proceso de carbonización
[IEA & UN], estrategias regionales [Aida-americas] y artificial que ocurre entre 175 y 250 ºC en un medio acuoso
nacionales, no se ha podido cambiar el creciente ritmo a presión de saturación (20-60 bar) o ligeramente superior.
de consumo ni el gráfico de distribución. Los sistemas de CHT permiten procesar una amplia gama de
biomasas: paja de cereales, residuos agrícolas, residuos sólidos
El panorama energético de Chile es coherente con el municipales, biomasa forestal, etc. Durante el tratamiento,
comportamiento de los principales indicadores a nivel ocurren reacciones de hidrólisis, decarboxilación, aromatización,
global. En la última década, la nación ha experimentado deshidratación y condensación que modifican las relaciones O/C
un sostenido crecimiento en la demanda de energía y O/H del sólido, reduciendo considerablemente la cantidad de
primaria, la cual alcanzó en 2013 los 1.42 millones de oxígeno. Como resultado, se obtiene un sólido hidrofóbico que
PJ [Energ, 2014]. Los principales portadores energéticos retiene entre el 80-95% del poder calorífico del material original
en Chile son importados, y la distribución en la matriz en aproximadamente 55-90% de su peso y una corriente gaseosa
energética primaria es de: petróleo (30%), biomasa (29%), compuesta principalmente por CO2. En el medio de reacción
el carbón (22%), el gas natural (13%). Específicamente (solución acuosa) queda disuelta alrededor del 10% de la masa
el consumo de carbón creció en un 88.9% los últimos inicial en forma de ácidos carboxílicos, compuestos fenólicos,
cinco años. El 92.7% de este recurso se utiliza para la monosacáridos y furfurales.
generación de electricidad en sistemas de combustión
que, solamente en 2012, emitieron un promedio de Torrefacción seca
7.18 MMtCO2 [CDIAC]. Esta fuerte dependencia del La torrefacción seca es un pretratamiento termoquímico,
mercado internacional ha forzado la búsqueda de símiles mediante el cual la estructura original de la biomasa se destruye
renovables que garanticen la estabilidad energética del parcialmente a medida que ésta se calienta (<50ºC/min) hasta
país. A pesar de que la biomasa representa cerca del 29% 200– 300ºC. Durante el proceso, las moléculas de hemicelulosa,
de la energía primaria en el país, su uso se distribuye celulosa y, en menor grado la lignina se degradan en diferentes
en calefacción doméstica (10%), generación térmica etapas o regímenes térmicos. La remoción de la humedad, la
industrial (12%) y generación eléctrica (7%), de esta depolimerización de la hemicelulosa y la descomposición de
última aproximadamente el 50% es de autoconsumo. Su la lignina son los fenómenos físicos y químicos que controlan
uso como sustituto del carbón mineral es aún incipiente el proceso y hacen que las relaciones atómicas O/C y O/H del
y se encuentra en fase de I&D. sólido se asemejen a las del carbón. Como resultado se obtiene un
producto sólido hidrofóbico, bio- resistente, fácil de triturar y que
Biomasa con fines energéticos en Chile retiene entre 70-90% del poder calorífico de la biomasa sin tratar,
Chile tiene una superficie forestal de aproximadamente en menos del 80% de su peso. Además, se genera una corriente
13.2 Millones de hectáreas de bosque nativo y de compuestos volátiles orgánicos (ácidos carboxílicos, fenoles,
2.9 de plantaciones forestales [INFOR, 2014], metanol, etc.) y gases permanentes (CO2, CO e H2) [Nocquet et
fundamentalmente Pinus radiata y Eucaliptus globulus, al., 2014; Prins et al., 2006b].
cuyos rendimientos oscilan entre 25 – 35 m3/ha/
año. La actividad silvícola y el procesamiento de los De acuerdo con lo expuesto, ambos procesos ofrecen una
recursos forestales generan alrededor de 5.5 millones oportunidad para mejorar las propiedades de la biomasa y
de toneladas de residuos energéticamente aprovechables convertirla en un bio-carbón. Sin embargo, son escasos los reportes
[González et al., 2007], de los cuales solamente el 5.6% en cuanto a su comparación con vistas a definir su factibilidad y
se utiliza para producir energía de calidad (electricidad) las condiciones en las cuales podrían competir. El objetivo del
[Martínez-Saperas, 2014]. Este inmenso potencial no ha presente trabajo es comparar ambos tratamientos, sobre la base de
escapado del interés de los investigadores, y actualmente resultados obtenidos a escala de laboratorio en el pretratamiento
hay varios proyectos en ejecución relacionados con de aserrín de Pinus radiata.
el uso de biomasa en sistemas de combustión. Sin
embargo, el alto contenido de humedad (20-35%),
bajo índice de molturabilidad (facilidad de molienda),
biodegradabilidad y el relativamente bajo contenido
de energía por unidad de volumen, son barreras que
 L. Arteaga, M. Flores, M. Escobar, C. Segura, A. Gordon. 7
2. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1 Caracterización de la biomasa

Las muestras de Pinus radiata fueron colectadas en la Región
del Biobío (Chile), fundamentalmente de plantaciones cuya
edad osciló entre 20 – 30 años. La biomasa se caracterizó antes
y después de cada tratamiento mediante análisis elemental e
inmediato. Los análisis se realizaron siguiendo la norma ASTM
E870 “Standard Test Methods for Analysis of Wood”, y un equipo
Thermo Finningan Model Flash EA series 1112. El poder calorífico
superior se determinó en un calorímetro Parr 6400 de acuerdo a la
equipo Thermo Finningan Model Flash EA series 1112. El poder calorífico superior se determinó
norma ASTM
en un calorímetro D5865-13.
Parr 6400 Los
de acuerdo a laresultados de los
norma ASTM análisisLos
D5865-13. para cada de los
resultados
caso,
análisis para secaso,
cada muestran en laen
se muestran Tabla 1. 1.
la Tabla

Tabla 1. Caracterización de la biomasa sin tratar. Pino radiata.

Análisis Inmediato* Análisis Elemental* Figura 1. Esquema de laboratorio.
Torrefacción húmeda. 1-Panel de control, 2- Reactor,
Humedad (%) 3.61-7.12 Carbono (%) 48.25-48.94 3-Medidor de presión, 4-Baño refrigerante, 5-Toma de
gases.
Volátiles (%) 76.41 Hidrógeno (%) 6.19-6.91
Fuente: Elaboración propia
Carbono Fijo (%) 15.5-15.17 Nitrógeno (%) 0.12-0.29

Cenizas (%) 0.3 – 1.3 Oxígeno (%) 43.73-45.25 y su contenido fueron enfriados velozmente mediante
inmersión en un baño de agua fría. El producto sólido se
PCS (MJ/kg) 17.80-18.08 Fórmula Química filtró y se secó en estufa (105 ºC, 24 h).
Celulosa (%) 40 C4H6.2O2.7N0.01

Hemicelulosa (%) 28.5 2.2.2 Torrefacción seca

En la Figura 2 se presenta un esquema de la instalación
Lignina (%) 27.7
experimental utilizada para los ensayos de torrefacción
*Cada valor es el resultado de al menos tres réplicas, todos los valores están seca. El reactor (5) es tubular de 1.2 m de longitud y 0.083
*Cada valor
dados en es el resultado de al menos tres réplicas, todos los
base seca m de diámetro y está construido de acero inoxidable
valores están dados en base seca 316 SS. Este equipo tiene disposición vertical y está
Tabla 1. Caracterización de la biomasa sin tratar. Pino radiata. equipado con una celda interior (113 mL) para depositar
2.2Set-up experimentales las muestras de biomasa. La temperatura se ajusta con
Fuente:
A continuación Elaboración
se describen propia
los set-up experimentales y se resumen las condiciones de operación
un flujo constante de N2 (30 mL/min) previamente
utilizadas.
2.2.1 Torrefacción húmeda
calentado en un horno tubular (3) de 3.2 kW de potencia.
Los ensayos CHT se realizaron en un reactor Parr (2) modelo 4546C con 1200 mL de capacidad El sistema cuenta con controles para las temperaturas
(4,6) y para el flujo de gas inerte (2).
(Figura 1). El sistema de reacción está equipado con controles para temperatura (1,3) y tiene una
toma para2.2 Set-up
muestreo experimentales
de productos gaseosos (5).
A continuación se describen los set-up experimentales y se
resumen las condiciones de operación utilizadas.

2.2.1 Torrefacción húmeda

Los ensayos CHT se realizaron en un reactor Parr (2) modelo
4546C con 1200 mL de capacidad (Figura 1). El sistema de
reacción está equipado con controles para temperatura (1,3) y tiene
una toma para muestreo de productos gaseosos (5).

En todos los ensayos se utilizó una razón pinus radiata/agua de 1:8

aproximadamente [Hoekman et al., 2011]. En cada experiencia,
cerca de 50 g de biomasa seca se mezclaron con 400 g de agua
desionizada. El interior del reactor se purgó con un flujo de
nitrógeno por 10 min para extraer el oxígeno antes de comenzar Figura 2. Instalación de laboratorio.
Figura 1. Esquema de laboratorio. Torrefacción húmeda. 1-Panel de control, Torrefacción 2- seca. 1-Balón de N2, 2- Regulador de
el Reactor,
calentamiento.
3-MedidorEl de tiempo de calentamiento
presión, 4-Baño hasta de
refrigerante, 5-Toma alcanzar
gases. la caudal, 3- Calentador, 4-Indicadores de Temperatura,
En todos temperatura
los ensayos se deseada,
utilizó unafluctuó entre
razón pinus los 55 y 80
radiata/agua de min y la temperatura
1:8 aproximadamente (Hoekman 5-Reactor, 6- Controles
et al. 2011).
de En cada experiencia,
reacción entre 180 cerca
ºCdey50300
g deºC
biomasa seca se mezclaron
[Hoekman con 400Elg de agua
et al., 2011].
desionizada. El interior del reactor se purgó con un flujo de nitrógeno por 10 min para extraerFuente:el Elaboración propia
tamaño de partícula utilizado fue inferior a 0.6 mm de diámetro
oxígeno antes de comenzar el calentamiento. El tiempo de calentamiento hasta alcanzar la
aproximadamente.
temperatura Al los
deseada, fluctuó entre finalizar
55 y 80 el
mintiempo de reacción,
y la temperatura el reactor
de reacción entre 180 ºC y
8 Energética 46 diciembre (2015), pp. 5-12

Previo a cada corrida, el reactor se purgó con N2, y Rendimiento Energético

posteriormente el flujo de gas se ajustó a las condiciones PCSt
R  100 x R
experimentales. Los ensayos se realizaron con 10 g de E M
PCS a (2)
Pinus radiata/corrida previamente seco (105 ºC, 24 h) tj = torrefactado seco
cuyo tamaño de partículas fue inferior a 2 mm, de esta a = alimentación seca,
forma se minimizan las resistencias a la transferencia de j = 1(seca), 2(CHT)
masa y calor. La temperatura de torrefacción se varió
entre 220-280 ºC, el tiempo de reacción entre 15 y 30 Distribución de productos
min. m
Fi  100 x i , i
ma (3)
2.3 Análisis de gases permanentes y i = gas, liquido, sólido.
condensables. Donde:
El balance de masa en cada proceso se completó en RM, rendimiento másico (%); mi es la masa (g); RE, rendimiento
referencia a los resultados obtenidos para la fase sólida energético (%); PCS, es el poder calórico superior (MJ/kg).
(rendimiento) y el líquido colectado después de cada
experiencia. La composición química de los gases
permanentes en la CHT se analizó por cromatografía 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
gaseosa utilizando un detector de conductividad térmica
(GC-TCD) y un cromatógrafo (AEROGRAPH modelo 3.1 Torrefacción húmeda. Efecto de parámetros
A-90-P) equipado con una columna 60/80 carboxen 1.000 operacionales.
de 4,6 metros de longitud. Los compuestos orgánicos Para evaluar el efecto de la temperatura en el proceso de CHT se
(condensables) se determinaron por cromatografía mantuvo un tiempo de residencia constante (1 hora). Por otra parte,
líquida de precisión (HLPC), en un equipo Merck para determinar el efecto del tiempo se utilizó una temperatura de
Hitachi HPLC con auto-sampler Hitachi L-2200, una 255 ºC. Las condiciones experimentales de operación utilizadas
bomba Hitachi L-2130 y un detector Hitachi L-2400 UV. en esta sección, fueron determinadas en ensayos preliminares
Adicionalmente, para la torrefacción seca se realizó una concordante con lo reportado en trabajo de [Hoekman et al., 2011].
prueba TGA-GC/MS en el mismo rango de temperaturas
que los experimentos, con el objetivo de identificar los 3.2 Efecto de la temperatura y el tiempo de
volátiles que se forman. El análisis se desarrolló en reacción.
una termo-balanza (NETZSCH modelo STA 409 PC) Las Figuras 3 y 4 representan el efecto de la temperatura y el
acoplada online a un espectrómetro de masas (QMS tiempo de reacción sobre el rendimiento másico y energético en el
403C Aëolos, Netzsc) y un barrido de señales a 2 (H2), proceso de CHT. Para este proceso se observó una estabilización
15 (H3C-), 18 (H2O), 27 (CO), 32 (CH3OH), 44 (CO2), del rendimiento másico por encima de 255 ºC, mientras que el
46 (CH2O2), 60 (C2H4O2), 74 (C3H6O2), 94 (C6H6O), bio-carbón incrementa de manera continua su poder calorífico,
96 (C5H4O2) amo. superando los 23.6 MJ/kg a 236 ºC. El rendimiento energético
se mantiene estable (74.2 a 79.2 %) en todo el rango, debido al
2.4 Criterios de evaluación. efecto compensatorio entre la pérdida de peso y el aumento del
La pérdida de masa es un indicador muy efectivo para poder calorífico (Eq. 2). Al sobrepasar los 255°C, existe una leve
determinar el grado de torrefacción alcanzado por el variación en ambos rendimientos mientras que el incremento en el
material. La reducción del peso durante el pretratamiento poder calorífico es relativamente moderado (1.4 MJ/kg).
está directamente ligada a la degradación térmica de los
componentes fundamentales de la biomasa (celulosa,
hemicelulosa y lignina), especialmente la hemicelulosa
[Almeida et al., 2010; Chen & Kuo, 2011]. En este
trabajo se determinan el rendimiento másico (Eq. 1) y
energético (Eq. 2), el grado de carbonización (análisis
elemental) y la distribución de productos en los procesos
de torrefacción seca y CHT.

A continuación se definen los parámetros empleados:

Rendimiento Másico
mt
R M =100x
ma (1)
tj = torrefactado seco Figura 3. Efecto de la temperatura sobre RM y RE. Torrefacción
a = alimentación seca húmeda.
j = 1(seca), 2(CHT) Fuente: Elaboración propia
L. Arteaga, M. Flores, M. Escobar, C. Segura, A. Gordon. 9
En relación al tiempo de procesamiento, el efecto es muy acotado, En la medida que se incrementa la temperatura, el
observándose un incremento continuo de ambos rendimientos a rendimiento másico (89-65%) y energético (90- 71%)
tiempos mayores de 2 horas. Este comportamiento se ha reportado decrecen (Figura 5), básicamente producto de la
previamente en la literatura [Lu et al., 2013] y se explica mediante deshidratación de la biomasa y la descomposición de la
un fenómeno de polimerización y condensación de compuestos hemicelulosa y celulosa [Basu, 2013]. La hemicelulosa
solubilizados en fase acuosa (fundamentalmente azúcares y anhidro es un polímero lineal (C5H8O4m) que por debajo de 220
azúcares). Los orgánicos condensables y los gases permanentes ºC se degrada muy poco, de aquí que el rendimiento
formados durante el proceso, se distribuyeron igualmente (15% másico obtenido para condiciones leves de torrefacción
peso) y se detectaron ácidos carboxílicos, azúcares y CO2 como (220 ºC) sea el mayor de todas las experiencias (89%).
componentes fundamentales. Cuando la temperatura supera los 250 ºC, comienzan a
liberarse CO2, ácidos, fenoles, furfural, metanol entre
otros compuestos orgánicos, principalmente por la
depolimerización de la hemicelulosa (hasta un 95% p/p
a 280 ºC). Además los grupos carbonilos y carboxilos
de la celulosa (>44% p/p) y los anillos aromáticos en la
lignina también interactúan en el proceso [Nhuchhen et
al., 2014; Basu et al., 2014]. La mayor resistencia de la
celulosa a la degradación térmica está dada por su grado
de cristalinidad, mientras que la lignina al ser un polímero
fenólico tridimensional (C6H10O3(OCH3)0.9-1.7), se
descompone en un amplio rango de temperaturas 160
ºC-900 ºC. La similitud entre el rendimiento másico a
220 ºC y 30 min (86%) y a 250 ºC a 15 y 30 min (85,
84%) respectivamente, puede explicarse por el efecto de
Figura 4. Efecto del tiempo sobre RM y RE. CHT a 255 ºC. la temperatura sobre la cinética de la devolatilización
Fuente: Elaboración propia de la hemicelulosa, el cual se supone como paso
controlante en un proceso de dos etapas consecutivas
(descomposición del sólido y devolatilización) [Van Der
En un estudio similar [Yan et al., 2010] determinaron una Stelt et al., 2011; Bates & Ghoniem, 2012; Sarvaramini
producción de 2-9% p/p de ácidos orgánicos entre los cuales et al., 2013] . Resultados similares pueden consultarse en
predominaron el ácido acético (C2H4O2) y fórmico (CH2O2). [Basu, 2013]. A pesar de ser similares los rendimientos
Además, reportaron la formación de monosacáridos en forma de en masa a 220 ºC y 250ºC, el poder calorífico a 250 ºC
precipitados en el medio de reacción (xilosa, manosa, galactosa, es superior, fundamentalmente porque los orgánicos
etc). La formación de ácido acético está relacionada con el tipo de liberados en este rango contienen mayor cantidad de O
hemicelulosa presente en la materia prima, para el caso del Pinus que H.
radiata son el galacto- glucomanan y arabino-glucuronoxilano. A
partir de la hidrólisis de celulosa y descomposición de glucosa se
pueden generar ácidos acético, láctico, propiónico, levulínico y
fórmico [Sevilla & Fuertes, 2009].

3.3 Torrefacción seca. Efecto de parámetros

operacionales
El rango de temperaturas estudiado incluye los tres niveles de
torrefacción reportados en la literatura: leve (200-235 ºC), media
(235-275 ºC) y severa (275-300 ºC). El tiempo de reacción fue
inferior a 1 hora debido a que, por estudios de TGA reportados con
anterioridad, se demostró que para valores superiores el proceso
suele transcurrir muy lentamente [Chen et al. 2015].
Figura 5. Efecto de la temperatura y el tiempo sobre
3.3.1 Efecto de la temperatura y tiempo de RM y RE. Torrefacción Seca.
residencia Fuente: Elaboración propia
La temperatura es el principal parámetro de diseño en la
torrefacción seca, pues define la degradación térmica alcanzada. El tiempo de residencia, aunque en menor medida,
Dicha degradación, puede explicarse a través de la descomposición también afecta la descomposición térmica de la
individual de los polímeros en la estructura celular sin que exista biomasa. La densidad energética del sólido aumenta con
interferencia de efectos sinérgicos [Chen & Kuo, 2011]. el tiempo, sin embargo la extensión del tratamiento trae
10 Energética 46 diciembre (2015), pp. 5-12

como consecuencia mayores requerimientos energéticos, celulosa en el rango de estudio. La calidad del bio-carbón obtenido
de aquí que deba establecerse un compromiso entre a 280 ºC es comparativamente inferior al bio-carbón-CHT, sin
el grado de torrefacción deseado, la temperatura y el embargo el rendimiento energético alcanzado es notablemente
tiempo de operación. En todo caso, operar por encima superior en condiciones de operación similares, en concordancia
de 1 hora no trae beneficios considerables sobre las con lo indicado en literatura [Bach et al., 2013].
propiedades del sólido producido [Chen et al., 2015]. En
el caso de la torrefacción seca, la composición de los El poder calorífico del carbón obtenido por CHT a 255 ºC y 1 hora
volátiles se corresponde con los reportes de [Prins et al., (Tabla 2), es muy similar al del carbón importado en Chile (29.3
2006b; Bates & Ghoniem, 2012] y aunque en proporción MJ/kg). Además, se pudo constatar que es un producto hidrofóbico
diferente (condensables 14-26%, gases 9-15%) a la y frágil, por lo que requiere mucho menos energía que la biomasa
CHT, se identificaron el ácido acético, fórmico, metanol, natural para lograr los tamaños de partículas requeridos en los
furfural y CO2. sistemas de combustión convencionales.

3.4 Comparación entre tratamientos. En la Tabla 2 se comparan los resultados obtenidos en este trabajo
Ambos tratamientos tienen diferencias significativas y se incluyen algunas referencias sobre estudios similares.
en cuanto a los rendimientos másicos y energéticos
respectivamente, y además, en la composición del Independientemente del tipo de biomasa, es evidente la superioridad
carbón producido. En todo el rango de análisis, los de la torrefacción húmeda frente a los demás pretratamientos
rendimientos obtenidos por torrefacción seca superan al para producir un carbón con características cercanas al mineral,
proceso de carbonización hidrotermal. Respecto a esta sin embargo el rendimiento másico es bastante menor que en el
última, el rendimiento en masa sobrepasa escasamente caso de la torrefacción seca. Se debe añadir que, como la CHT
el 50%, debido a que al realizarse en agua a condiciones se realiza en medio acuoso, no requiere de un secado inicial de la
sub-críticas, además de descomponerse la estructura biomasa. Además, las condiciones y el medio de reacción facilitan
de la biomasa, se solubilizan azúcares y la fracción el lavado de la biomasa y por ende se obtiene un producto de mejor
inorgánica. calidad (menor contenido de inorgánicos) para aplicaciones tales
como gasificación y gasificación integrada a la generación de
Para evaluar la calidad de los carbones obtenidos por electricidad y Fischer-Tropsch [Prins et al., 2006a]. Sin embargo,
CHT y torrefacción seca, las muestras de sólidos se debe considerarse que el proceso requiere materiales especiales
estudiaron por análisis elemental y los resultados se para soportar la alta presión y corrosión en las condiciones de
representan en un diagrama de van Krevelen (Figura trabajo y su diseño debe concebir una estrategia para la eliminación
6). Es importante destacar que menores razones O/C y/o recuperación de sustancias orgánicas disueltas en el medio de
y H/C en el diagrama dan cuenta de un mayor grado reacción.
de carbonización y por ende una calidad superior del
carbón como combustible. Para la CHT, sobre un
tiempo de procesamiento de 1 hora, se observa que 4. CONCLUSIONES
hasta 218°C la carbonización procede principalmente Se evaluaron los procesos de torrefacción seca y húmeda a 220-
mediante un mecanismo de decarboxilación, pudiendo 280 ºC y 218-300ºC respectivamente. Se demostró que el tiempo
esperarse como principal subproducto CO2 gaseoso. A de residencia tiene menor influencia sobre los rendimientos
mayores temperaturas, tanto la decarboxilación como másicos y energéticos que la temperatura de operación. Los gases
la deshidratación son los principales mecanismos de permanentes obtenidos en cada tratamiento están compuestos
carbonización. Sobre 255°C no se observan cambios básicamente por CO2 y CO, en el rango de temperaturas estudiado
significativos en el grado de carbonización, el cual sitúa solo se encontraron trazas de H2. La fracción condensable de los
al material entre el lignito y la turba. Al aumentar el volátiles está compuesta por agua, ácidos carboxílicos, furfurales
tiempo de procesamiento desde 1 hora hasta 8 horas a y otros compuestos orgánicos que se producen por mecanismos
255°C, tampoco se observan cambios significativos en el de decarboxilación, deshidratación y depolimerización. En cuanto
grado de carbonización, deduciéndose que el tiempo de al poder calorífico superior, este es mayor para el proceso CHT
procesamiento juega un papel secundario en el proceso que para torrefacción seca, sin embargo esta última alternativa
de carbonización. presenta mejores rendimientos, por tanto, se sugiere evaluar
económicamente si tiene sentido aplicar el tratamiento CHT a
En el caso de la torrefacción seca, el efecto sobre la Pinus radiata.
composición del sólido es menor que para la CHT y se debe
a la combinación de la decarboxilación, deshidratación
y depolimerización. La biomasa, originalmente formada AGRADECIMIENTOS
por una mezcla de polímeros (Tabla 1), tiende a Este trabajo fue financiado por los Proyectos FONDEF CA12I10375
acercarse a la composición de la lignina, lo cual es una ¨Carbonización de biomasa como sustituto de carbón mineral
evidencia de los postulados presentados anteriormente para generación termoeléctrica - HTC¨, FONDEF B09I1015
en referencia a la descomposición de hemicelulosa y
 el rendimiento energético alcanzado es notablemente superior en condiciones de operación
L. Arteaga, similares,
M. Flores, en
M.concordancia
Escobar, C. Segura,
con loA.indicado
Gordon.en literatura (Bach et al. 2013). 11

Figura 6. Comparación entre tratamientos según diagrama de van Krevelen

El poder calorífico del carbón obtenido por CHT a 255 ºC y 1 hora (Tabla 2), es muy similar al
del carbón importado en Chile (29.3 MJ/kg). Además, se pudo constatar que es un producto
Figura 6. Comparación entre tratamientos según diagrama de van Krevelen
hidrofóbico y frágil, por lo que requiere mucho menos energía que la biomasa natural para lograr
Fuente: Elaboración propia
los tamaños de partículas requeridos en los sistemas de combustión convencionales.
En la Tabla 2 se comparan los resultados obtenidos en este trabajo y se incluyen algunas
referencias sobre estudios similares.
Tabla 2. Resumen de resultados por ambos pretratamientos
Biomasa T t Proceso O/C H/C PCS Fórmula Ref.
(ºC) (min) (MJ/kg)
Pinus 255 60 Húmeda 0.17 1.29 26 C5.8H7.5O1.1N0.1 -
Radiata
Pinus 280 30 Seca 0.56 1.42 20.6 C4.4H6.2O2.5N0.01 -
Radiata
Eucalipto 240 60 Seca 0.579 1.34 21.8 C4.4H5.9O2.6N0.01 (Chen et al. 2015)
Bagazo 250 60 Seca 0.486 1.12 20.9 C4.4H5.0O2.1N0.04 (Chen et al. 2015)
Bagazo 180 30 Húmeda 0.78 1.33 18.6 C3.8H5.0O2.9N0.03 (Chen et al. 2015)

Independientemente
Tabla 2. Resumen delambos
de resultados por tipo de biomasa, es evidente la superioridad de la torrefacción húmeda
pretratamientos
frente a los
Fuente: Elaboración demás pretratamientos para producir un carbón con características cercanas al mineral,
propia
sin embargo el rendimiento másico es bastante menor que en el caso de la torrefacción seca. Se
debe añadir que, como la CHT se realiza en medio acuoso, no requiere de un secado inicial de la
12 Energética 46 diciembre (2015), pp. 5-12

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