Simulación numérica de la carbonización hidrotérmica de la biomasa lignocelulósica

Abstract

Debido a los múltiples efectos adversos que trae consigo la producción de energía a través de fuentes fósiles, se ha visto la necesidad de buscar fuentes alternativas de energía, siendo una de las alternativas la biomasa. El proceso de carbonización hidrotérmica (HTC) de la biomasa ha demostrado ser una opción viable para transformar la biomasa en energía. Desafortunadamente, la complejidad química de la materia prima y del mecanismo de reacción dificultan su estudio. Así, el presente trabajo busca generalizar el proceso de HTC para cualquier tipo de biomasa lignocelulósica, proponiendo un esquema de reacción simplificado, el cual se basa en la descomposición de los tres principales componentes de la biomasa: Hemicelulosa (H), Celulosa(C) y Lignina(L). Se realizo un ajuste de parámetros al modelo propuesto utilizando datos cinéticos de dos biomasas: bagazo de agave y hueso de aguacate. Se obtuvieron coeficientes de regresión R² >0.94. El esquema de reacción final cuenta con ocho reacciones, cuyas constantes cinéticas varían en el orden de 10-3 - 10-5 s-1. Asimismo, se calcularon las energías de activación de los compuestos principales de la biomasa lignocelulósica: 𝐸𝐴𝐻=7.76 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙, 𝐸𝐴𝐶=91.67 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙, 𝐸𝐴𝐿=271.37 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙. Se validó el modelo simulando 23 biomasas de diferente composición lignocelulósica reportadas en la literatura. Se utilizaron, para la validación, los rendimientos másicos finales, principalmente el del hidrocarbón. Se obtuvo un error promedio de predicción absoluto de inferior a 8%. Los resultados de la validación fueron representados en un diagrama de paridad calculando una pendiente de 𝑚=1.09 y coeficiente de regresión R²=0.97. Finalmente, se realizaron experimentos con dos biomasas: sargazo y bagazo de caña, así como una mezcla de ellas y se verificó la predictibilidad del modelo en mezclas.

Due to the multiple adverse effects that the production of energy through fossil sources brings with it, the need to look for alternative energy sources has been seen, one of the alternatives being biomass. Hydrothermal carbonization (HTC) has proven to be a viable option for transforming biomass into energy. Unfortunately, the chemical complexity of the raw material and the reaction mechanism make it difficult to study. Thus, the present work has as its purpose to generalize the HTC process for any type of lignocellulosic biomass, proposing a simplified reaction scheme, which is based on the generation of the three main biomass components: Hemicellulose (H), Cellulose (C) and Lignin(L). Parameters were adjusted to the model using kinetic data of biomasses such as: agave bagasse and avocado stone, obtaining regression coefficients R²>0.94. The final reaction scheme has eight reactions whose kinetic constants vary from 10-3 - 10-5 s-1. The activation energies of the main compounds of the lignocellulosic biomass are calculated: 𝐸𝐴𝐻=7.76 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙,𝐸𝐴𝐶=91.67 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙,𝐸𝐴𝐿=271.37 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙. The model was validated by simulating 23 biomasses of different lignocellulosic compositions using the final mass yields as a reference, mainly hydrochar yield, with an average absolute prediction error of 7.96%. The validation results were represented in a parity diagram calculating a slope of 𝑚=1.09 and regression coefficient R²=0.97. Finally, experiments were carried out on two biomasses: sargassum and sugarcane bagasse, as well as a mixture of them, and the predictability of the model in mixtures was verified.