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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)
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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”
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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.
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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
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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
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8
12
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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
H29%
CH42%
CO23%N2
53%
CO211%
Indicadores de desempeñoMediciones
-
RESULTADOS
7
CU
ESC
O
5
10
15
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25
30
35
50
250
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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