Valoración energética de los residuos del proceso de extracción de aceite de palma africana mediante gasificación

Transcripción

1 Valoración energética de los residuos del proceso de extracción de aceite de palma africana mediante gasificación Juan Carlos Urueta, M.Sc (PALMACEITE S.A.) José Urbina, IQ (ACEITES S.A.) Alex Weber, Qco (PALMACEITE S.A.) Antonio Bula Silvera, PhD (UNINORTE) Marco Enrique Sanjuán, PhD (UNINORTE) Arnaldo Verdeza Alvarez, MSc (UNINORTE) Yuhan Arley Lenis, MSc. (UNINORTE) Ingrid Natalia Hernandez, MSc. (UNINORTE) José David Pérez, I.M. (UNINORTE)

2 LCOE (USD/MWh) Introducción Generación de electricidad a partir de biomasa Transmisión O&M variable O&M fijo Costo de capital 1 Costo aprox compra. Energía primaria de la Biomasa Procesos termoquímicos Procesos biológicos Quema directa Gasificación Pirólisis Fermentación Digestión anaeróbica Calor Gas combustible Combustibles líquidos, solidos y gasesosos Etanol Biogás Motores de Combustión Interna (MCI) Turbinas de gas Calderas 5 Adapatado de Levelized Cost and Levelized Avoided Cost of New Generation Resources in the Annual Energy Outlook 217 Oportunidades Valorización de la biomasa residual Generación de electricidad para autoconsumo Mejoras medioambientales Disminuye la dependencia energética del SIN Retos o Bajos costos de generación o Operación estable ante demandas dinámicas y biomasa heterogénea o Mejorar calidad del gas o Disminución intervalos de mantenimiento 2

3 OBJETIVOS DEL PROYECTO General Caracterizar el desempeño energético del proceso de gasificación en lecho fijo usando residuos agroindustriales provenientes del proceso de extracción de aceite de palma africana. Objetivos Específicos: Determinar las propiedades fisicoquímicas del cuesco, raquis y fibra que resultan como subproducto de la extracción de aceite de palma en la empresa Palmaceite S.A. Evaluar desempeño energético de un equipo de gasificación comercial Ankur WBG-2 en su región típica de operación, usando residuos de palma africana. Caracterizar el gas de gasificación obtenido a partir del cuesco de palma africana, en términos de densidad energética y concentración de gases combustibles. Caracterizar la ceniza producida en el gasificador comercial mediante análisis físico químico con miras a determinar sus usos potenciales.

4 % de Retención CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA DE LA BIOMASA Análisis último (%m/m) Parámetro Nombres de las muestras Norma Cuesco Fibra Raquis C H ASTM D 5373 N S ASTM D Método A O Por diferencia En orden descendente, los combustibles más adecuados para su aprovechamiento en gasificación son: cuesco, fibra y raquis. Análisis próximo (%m/m) Parámetro Nombres de las muestras Norma Cuesco Fibra Raquis Humedad residual ASTM D Material volátil Carbono fijo Cenizas PCS* [kj/kg] ASTM D PCS* [kcal/kg] *Poder Calorífico Superior (PCS) ,5 9,5 6,3 4,75 2,36 2, 1,1, Apertura tamiz [mm]

5 INSTALACIÓN EXPERIMENTAL

6 T (ºC) Q (m 3 /h) Gas Concentration (%) LHV (MJ/Nm3) Metodología Mediciones Cálculo de parámetros Indicadores de desempeño e 24 H2 CH4 CO2 C3H8 CO LHV 6 PCS gas = 1 e j=1 PCS j Caracterización química del gas T2 T1 T4 1 T3 Q Cuesco1-15 tiempo (min) Caracterización térmica proceso Ƞ I = E Salida E Entrada = m gas PCS gas m bms PCS bms Potencia = E out η engine η engine ~ 28% Air flow (l/min) CO 2 11% N2 53% H 2 9% CH4 2% CO 23% 6

7 CUESCO Cuesco1_17 Cuesco1_15 Cuesco1_13 Cuesco1_1 Cuesco1_8 T (ºC) Q (m 3 /h) Temperatura ( C) RESULTADOS T2 T1 T4 T3 Q Cuesco1-15 tiempo (min) T1 T2 T3 T4 Las pruebas con cuesco presentaron desempeños comparables con los reportado por el fabricante para operación con astillas El flujo de agente gasificante presentó oscilaciones relacionadas con la auto-regulación del proceso 7

8 Eficiencia (%) Potencia termica (kw) Frg (--) PCS (MJ/Nm3) Potencia específica (kw/kg) GASIFICACIÓN DE CUESCO Caracterización energética Eficiencia Pot.th Frg PCS Cuesco 1 Caudal Aire (Nm3/h) Cuesco 1 Caudal Aire (Nm3/h) Prueba Consumo de biomasa (kg/h) Caudal Aire (Nm 3 /h) Dosado relativo Frg Cuesco1_ Cuesco1_ Cuesco1_ Cuesco1_ Cuesco1_ La eficiencia en frío estuvo 7 y 8 %. Comparable a la obtenido con madera. - La potencia térmica mas alta fue 36.4 kwth. De ser aprovechada en un motor de combustión interna (efic. 28%), se obtendrían 1.2 kwe. Es decir, aproximadamente 1.2 kw-h de energía por cada kilogramo hora de biomasa. - La generación de ceniza fue aproximadamente un 1% de la biomasa fresca ingresada Dosado relativo: Inverso del aire en exceso 8

9 Concentración (%vol) PCS (MJ/Nm 3 ) Concentración (%vol) PCS (MJ/Nm 3 ) GASIFICACIÓN DE CUESCO Cromatografía En algunas pruebas se observan variaciones considerables para el monóxido y el dióxido de carbono, sin embargo, la estabilidad del proceso no se ve comprometida, debido a la compensación lograda por los demás combustibles (máxima variación en PCI.4 kj/kg) H2 CH4 CO CO2 C2H6 C3H8 PCS Cuesco1-13 tiempo (min) H2 CH4 CO CO2 C2H6 C3H8 PCS Cuesco1-15 tiempo (min) Caudal (m3/h) Concentración del gas (%vol) H 2 O 2 N 2 CH 4 CO CO 2 C 2 H 6 C 3 H 8 PCS (kj/kg)

10 RESIDUOS SÓLIDOS GASIFICACIÓN Caracterización ceniza de cuesco La generación de residuos carbonosos del proceso durante la gasificación de cuesco estuvo alrededor del 1% de la tasa de consumo de biomasa. Muestra Análisis último (%m/m) Parámetro C H N O PCS* (kj/kg) M. Cenizas (kg/h) Pot. Th (kw) Cuesco Cuesco Cuesco Cuesco Cuesco * El PCS es calculado mediante el modelo propuesto por Channiwala and Parikh [15] Las cenizas del proceso pueden ser utilizadas como energético para el subproceso de secado o para recuperación de suelos Los residuos de las pruebas de fibra y raquis muestran composiciones similares a las observadas para el cuesco, sin embargo, presentan inestabilidades. 1

11 ANÁLISIS ECONÓMICO DE LA INVERSIÓN ANÁLISIS FINANCIERO INSTALACIÓN GASIFICADOR Para 4 kwe para una capacidad de procesamiento de 2 ton RFF/h Especificaciones Planta Extractora Producción anual Planta Extractora 1. Ton RFF/año Capacidad de procesamiento 2Ton RFF/h Consumo eléctrico en Planta Extractora 25kWh/ton RFF Consumo energético anual en Planta Extractora 2.5. Kwh/año Generacion de energía eléctrica (25d/m, 22h/d) Kwh/año Detalles del gasificador Potencia nominal 4kW Generación neta 352kW Inversión $ , COP Balance de biomasa (PALM KERNEL SHELL, PKS) Biomasa consumida por gasificación Ton PKS/año Biomasa consumida por gen. Vapor 1.8 Ton PKS/año Biomasa disponible 6. Ton PKS/año 11

12 Para el año 221 se espera el fenómeno del niño. El efecto del incremento de la la tarifa del kwh no se considera, teniendo en cuenta que este sería un escenario más favorable para la gasificación. ANÁLISIS ECONÓMICO DE LA INVERSIÓN ANÁLISIS FINANCIERO INSTALACIÓN GASIFICADOR Para 4 kwe para una capacidad de procesamiento de 2 ton RFF/h Costo (COP/kWh) Valor energía (COP/kWh) Costo de oportunidad (COP/kWh) Costo de oportunidad (COP) Costo de Oportunidad (miles de millones de COP) Año - (2.62..) (2.62) Año , Año , Año , Año , Año , Año , Año , Año , Año , Año , TIR (a 1 años) 23,15% VPN (1%) $

13 Costo de oportunidad (COP/kWh) ANÁLISIS ECONÓMICO DE LA INVERSIÓN 1.5 ANÁLISIS FINANCIERO INSTALACIÓN GASIFICADOR Para 4 kwe para una capacidad de procesamiento de 2 ton RFF/h (5) Año Año 1 Año 2 Año 3 Año 4 Año 5 Año 6 Año 7 Año 8 Año 9 Año 1 (1.) (1.5) (2.) 13 (2.5) (3.)

14 ANÁLISIS ECONÓMICO DE LA INVERSIÓN ANÁLISIS FINANCIERO INSTALACIÓN GASIFICADOR Para 8 kwe para una capacidad de procesamiento de 4 ton RFF/h Especificaciones Planta Extractora Producción anual Planta Extractora 2. Ton RFF/año Capacidad de procesamiento 4Ton RFF/h Consumo eléctrico en Planta Extractora 25kWh/ton RFF Consumo energético anual en Planta Extractora 5.. Kwh/año Generacion de energía eléctrica (25d/m, 22h/d) Kwh/año Detalles del gasificador Potencia nominal 8kW Generación neta 74kW Inversión $ , COP Balance de biomasa (PALM KERNEL SHELL, PKS) Biomasa consumida por gasificación Ton PKS/año Biomasa consumida por gen. Vapor 3.6 Ton PKS/año Biomasa disponible 12. Ton PKS/año 14

15 Para el año 221 se espera el fenómeno del niño. El efecto del incremento de la la tarifa del kwh no se considera, teniendo en cuenta que este sería un escenario más favorable para la gasificación. ANÁLISIS ECONÓMICO DE LA INVERSIÓN ANÁLISIS FINANCIERO INSTALACIÓN GASIFICADOR Para 8 kwe para una capacidad de procesamiento de 4 ton RFF/h Costo (COP/kWh) Valor energía (COP/kWh) Costo de oportunidad (COP/kWh) Costo de oportunidad (COP) Costo de Oportunidad (miles de millones de COP) Año - (4.73..) (4.73) Año Año Año Año Año Año Año Año Año Año TIR (a 1 años) 3,13% VPN (1%) $

16 Costo de oportunidad (COP/kWh) ANÁLISIS ECONÓMICO DE LA INVERSIÓN 3. ANÁLISIS FINANCIERO INSTALACIÓN GASIFICADOR Para 8 kwe para una capacidad de procesamiento de 4 ton RFF/h (1.) Año Año 1 Año 2 Año 3 Año 4 Año 5 Año 6 Año 7 Año 8 Año 9 Año 1 (2.) (3.) 16 (4.) (5.) (6.)

17 CONCLUSIONES La gasificación de cuesco permite obtener un gas combustible con densidades energéticas entre 5.5 y 7 MJ/Nm3, lo cual es comparable a lo obtenido en estos equipos operando con astillas de madera Considerando el aprovechamiento del gas proveniente de la gasificación del cuesco en un motor de combustión interna de 28% de eficiencia, se podrían obtener aproximadamente 1.2 kw-h de energía por cada kilogramo de biomasa La generación de residuos carbonosos del proceso durante la gasificación de cuesco estuvo alrededor del 1% de la tasa de consumo de biomasa. Dada el contenido energético de estos residuos podrían ser considerados para procesos de acondicionamiento de la biomasa. La generación eléctrica a partir de cuesco técnica y económicamente viable para plantas nuevas o plantas con generación de vapor a baja presión ó para complejos industriales que compren EE en red. 17

18 Muchas Gracias 18