Valoración energética de los residuos del proceso de

extracción de aceite de palma africana mediante

gasificaciónJuan 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)

Introducción

2

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

Generación de electricidad a partir de biomasa

Motores de

Combustión

Interna (MCI)

Turbinas de gas

Calderas

Energía primaria de la Biomasa

Procesos termoquímicos

Quema directa Calor

Gasificación Gas combustible

PirólisisCombustibles

líquidos, solidos y gasesosos

Procesos biológicos

Fermentación Etanol

Digestión anaeróbica

Biogás

0

50

100

150

200

250

300

LCO

E (U

SD/M

Wh

)

TransmisiónO&M variableO&M fijoCosto de capital

Costo aprox compra.

Adapatado de “Levelized Cost and Levelized Avoided Cost of New Generation Resources in the

Annual Energy Outlook 2017”

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-20 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.

CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA DE LA BIOMASA

Análisis último (%m/m)

NormaParámetro

Nombres de las muestras

Cuesco Fibra Raquis

C 48.75 43.1 42.73

ASTM D 5373H 5.55 4.77 4.99

N 0.80 1.45 0.90

S 0.10 0.16 0.12ASTM D 4239-14 Método

A

O 35.33 36.71 39.55 Por diferencia

Análisis próximo (%m/m)

NormaParámetro

Nombres de las muestras

Cuesco Fibra Raquis

Humedad

residual5.91 3.70 3.67

ASTM D 7282-

15Material volátil 76.82 75.64 76.43

Carbono fijo 13.71 10.56 11.86

Cenizas 3.56 10.11 8.05

PCS* [kJ/kg] 19690 17456 17003 ASTM D 7282-

13PCS* [kcal/kg] 4703 4169 4061

*Poder Calorífico Superior (PCS)

En orden descendente, loscombustibles más adecuados para suaprovechamiento en gasificación son:cuesco, fibra y raquis.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

12,50 9,50 6,30 4,75 2,36 2,00 1,10 0,00

% d

e R

eten

ción

Apertura tamiz [mm]

INSTALACIÓN EXPERIMENTAL

Metodología

6

5

10

15

20

25

30

35

50

250

450

650

850

0 10 20 30 40

Q (

m3/h

)

T (

ºC)

tiempo (min)Cuesco100-15

T2 T1 T4

T3 Q

Caracterización química del gas

Caracterización térmica proceso

Cálculo de parámetros

𝑃𝐶𝑆𝑔𝑎𝑠 =1

𝑒

𝑗=1

𝑒

𝑃𝐶𝑆𝑗

ȠI =𝐸𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝐸𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

= 𝑚𝑔𝑎𝑠 ∙ 𝑃𝐶𝑆𝑔𝑎𝑠

𝑚𝑏𝑚𝑠 ∙ 𝑃𝐶𝑆𝑏𝑚𝑠

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝐸𝑜𝑢𝑡 × ηengine∴ ηengine~ 28%

0

1

2

3

4

5

6

0

4

8

12

16

20

24

10 12 14 16 18

LH

V (

MJ/N

m3)

Gas

Con

cen

trati

on

(%

)

Air flow (l/min)

H2 CH4 CO2 C3H8 CO LHV

H2

9%

CH42%

CO23%N2

53%

CO2

11%

Indicadores de desempeñoMediciones

RESULTADOS

7

CU

ESC

O

5

10

15

20

25

30

35

50

250

450

650

850

0 10 20 30 40

Q (

m3/h

)

T (

ºC)

tiempo (min)Cuesco100-15

T2 T1 T4

T3 Q

• 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

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Cues

co1

00_

17

Cues

co1

00_

15

Cues

co1

00_

13

Cues

co1

00_

10

Cues

co1

00_

8

Tem

per

atura

(

C)

T1 T2 T3 T4

GASIFICACIÓN DE CUESCO

Prueba

Consumo de

biomasa (kg/h)

Caudal Aire

(Nm3/h)

Dosadorelativo

Frg

Cuesco100_17 8.9 17.6 2.6

Cuesco100_15 8.7 15.6 2.8

Cuesco100_13 7.3 12.9 2.9

Cuesco100_10 5.8 10.5 2.8

Cuesco100_8 1.7 5.9 1.5

8

0

10

20

30

40

0

20

40

60

80

100

5 10 15 20

Po

tenc

ia ter

mic

a (k

W)

Efi

cien

cia

(%)

Caudal Aire (Nm3/h)Cuesco 100

Eficiencia Pot.th

- La eficiencia en frío estuvo 70 y 80 %. 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 10.2 kWe. Es decir,

aproximadamente 1.2 kW-h de energía por cada kilogramo hora de biomasa.

- La generación de ceniza fue aproximadamente un 10% de la biomasa fresca

ingresada

Caracterización energética

0

2

4

6

8

0

1

2

3

4

5

5 10 15 20

PC

S (

MJ/

Nm

3)

Frg

(--

)

Caudal Aire (Nm3/h)Cuesco 100

Frg PCS

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Po

ten

cia

esp

ecí

fica

(kW

/kg)

Dosado relativo: Inverso del aire en exceso

GASIFICACIÓN DE CUESCO

9

Cromatografía

0.0

1.5

3.0

4.5

6.0

7.5

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40

PC

S (M

J/N

m3)

Co

ncen

tració

n (

%v

ol)

t iempo (min)Cuesco100-15

H2 CH4 COCO2 C2H6 C3H8PCS

0.0

1.5

3.0

4.5

6.0

7.5

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40

PC

S (M

J/N

m3)

Co

ncen

tració

n (

%v

ol)

tiempo (min)Cuesco100-13

H2 CH4 CO

CO2 C2H6 C3H8

PCS

Caudal (m3/h) Concentración del gas (%vol)

PCS (kJ/kg) H2 O2 N2 CH4 CO CO2 C2H6 C3H8

17.58 9.89 1.33 51.71 1.18 23.31 11.36 0.18 1.05 5.97

15.64 9.63 0.62 50.43 2.73 25.57 9.74 0.16 1.13 6.92

12.94 8.25 0.47 52.38 3.25 24.74 9.58 0.16 1.18 6.89

10.52 7.56 0.59 54.79 2.52 23.27 10.41 0.15 0.71 5.84

5.85 7.72 0.76 58.01 0.73 16.75 14.90 0.16 0.97 4.56

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

≈0.4 kJ/kg)

RESIDUOS SÓLIDOS GASIFICACIÓN

10

Caracterización ceniza de cuesco

Los residuos de las pruebas de fibra y raquis muestran composiciones similares a las observadas para el cuesco, sin embargo, presentan inestabilidades.

Análisis último (%m/m)

Muestra

Parámetro

C H N O PCS* (kJ/kg) M. Cenizas (kg/h) Pot. Th (kW)

Cuesco 100-8 65.67 1.32 0.69 32.32 21128.4 0.21 1.23

Cuesco 100-11 63.79 1.51 0.71 33.99 20523.0 0.43 2.45

Cuesco 100-13 63.57 1.59 0.78 34.06 20532.2 0.19 1.08

Cuesco 100-15 65.55 1.67 0.82 31.96 21534.2 0.61 3.65

Cuesco 100-17 56.60 1.91 0.88 40.61 17797.3 0.89 4.42

* El PCS es calculado mediante el modelo propuesto por Channiwala and Parikh [15]

La generación de residuos carbonosos del proceso durante la gasificación de cuesco estuvo alrededor del 10% de la tasa de consumo de biomasa.

Las cenizas del proceso pueden ser utilizadas como energético para el subproceso de secado o para recuperación de suelos

ANÁLISIS ECONÓMICO DE LA INVERSIÓN

11

ANÁLISIS FINANCIERO INSTALACIÓN GASIFICADOR Para 400 kWe para una capacidad de procesamiento de 20 ton RFF/h

Detalles del gasificadorPotencia nominal 400kWGeneración neta 352kW

Inversión $ 2.620.000.000,00 COP

Especificaciones Planta ExtractoraProducción anual Planta Extractora 100.000 Ton RFF/año

Capacidad de procesamiento 20Ton RFF/hConsumo eléctrico en Planta Extractora 25kWh/ton RFF

Consumo energético anual en Planta Extractora 2.500.000 Kwh/añoGeneracion de energía eléctrica (25d/m, 22h/d) 2.323.200 Kwh/año

Balance de biomasa (PALM KERNEL SHELL, PKS)

Biomasa consumida por gasificación 1.936 Ton PKS/año

Biomasa consumida por gen. Vapor 1.800 Ton PKS/añoBiomasa disponible 6.000 Ton PKS/año

ANÁLISIS ECONÓMICO DE LA INVERSIÓN

12

ANÁLISIS FINANCIERO INSTALACIÓN GASIFICADOR Para 400 kWe para una capacidad de procesamiento de 20 ton RFF/h

Costo (COP/kWh)

Valor energía

(COP/kWh)

Costo deoportunidad(COP/kWh)

Costo deoportunidad

(COP)

Costo de Oportunidad

(miles demillones de COP)

Año 0 - (2.620.000.000) (2.620)Año 1 165 422 257,000 597.062.400 597

Año 2 173 443 270,100 627.496.320 627

Año 3 182 465 283,255 658.058.016 658 Año 4 191 489 297,518 691.193.237 691

Año 5 201 513 311,944 724.707.459 725 Año 6 211 539 327,258 760.285.875 760 Año 7 222 566 343,621 798.300.168 798 Año 8 233 594 360,802 838.215.177 838 Año 9 245 623 378,842 880.125.935 880

Año 10 257 655 397,784 924.132.232 924

TIR (a 10 años) 23,15%

VPN (10%) $ 4.879.576.819

Para el año 2021 se espera el fenómeno del niño. El efecto del incremento de la latarifa del kWh no se considera, teniendo en cuenta que este sería un escenario más favorable para la gasificación.

ANÁLISIS ECONÓMICO DE LA INVERSIÓN

13

ANÁLISIS FINANCIERO INSTALACIÓN GASIFICADOR Para 400 kWe para una capacidad de procesamiento de 20 ton RFF/h

(3.000)

(2.500)

(2.000)

(1.500)

(1.000)

(500)

-

500

1.000

1.500

Año 0 Año 1 Año 2 Año 3 Año 4 Año 5 Año 6 Año 7 Año 8 Año 9 Año 10

Co

sto

de

op

ort

un

idad

(C

OP/

kWh

)

ANÁLISIS ECONÓMICO DE LA INVERSIÓN

14

ANÁLISIS FINANCIERO INSTALACIÓN GASIFICADOR Para 800 kWe para una capacidad de procesamiento de 40 ton RFF/h

Detalles del gasificadorPotencia nominal 800kWGeneración neta 704kW

Inversión $ 4.703.000.000,00 COP

Especificaciones Planta ExtractoraProducción anual Planta Extractora 200.000 Ton RFF/año

Capacidad de procesamiento 40Ton RFF/hConsumo eléctrico en Planta Extractora 25kWh/ton RFF

Consumo energético anual en Planta Extractora 5.000.000 Kwh/añoGeneracion de energía eléctrica (25d/m, 22h/d) 4.646.400 Kwh/año

Balance de biomasa (PALM KERNEL SHELL, PKS)

Biomasa consumida por gasificación 3.872 Ton PKS/año

Biomasa consumida por gen. Vapor 3.600 Ton PKS/añoBiomasa disponible 12.000 Ton PKS/año

ANÁLISIS ECONÓMICO DE LA INVERSIÓN

15

ANÁLISIS FINANCIERO INSTALACIÓN GASIFICADOR Para 800 kWe para una capacidad de procesamiento de 40 ton RFF/h

Costo (COP/kWh)

Valor energía

(COP/kWh)

Costo deoportunidad(COP/kWh)

Costo deoportunidad

(COP)

Costo de Oportunidad

(miles demillones de COP)

Año 0 - (4.703.000.000) (4.703)

Año 1 134 422 288 1.338.440.733 1.338

Año 2 141 443 302 1.405.362.769 1.405

Año 3 148 465 317 1.475.630.908 1.476 Año 4 155 489 333 1.549.412.453 1.549

Año 5 163 513 350 1.626.883.076 1.627

Año 6 171 539 368 1.708.227.230 1.708 Año 7 179 566 386 1.793.638.591 1.794 Año 8 188 594 405 1.883.320.521 1.883 Año 9 198 623 425 1.977.486.547 1.977

Año 10 208 655 447 2.076.360.874 2.076

TIR (a 10 años) 30,13%VPN (10%) $ 12.131.763.701

Para el año 2021 se espera el fenómeno del niño. El efecto del incremento de la latarifa del kWh no se considera, teniendo en cuenta que este sería un escenario más favorable para la gasificación.

ANÁLISIS ECONÓMICO DE LA INVERSIÓN

16

ANÁLISIS FINANCIERO INSTALACIÓN GASIFICADOR Para 800 kWe para una capacidad de procesamiento de 40 ton RFF/h

(6.000)

(5.000)

(4.000)

(3.000)

(2.000)

(1.000)

-

1.000

2.000

3.000

Año 0 Año 1 Año 2 Año 3 Año 4 Año 5 Año 6 Año 7 Año 8 Año 9 Año 10

Co

sto

de

op

ort

un

idad

(C

OP/

kWh

)

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

CONCLUSIONES

17

2

1

3

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 10% 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.

4

Muchas Gracias

18