Caracterización de biomasa torrefactada de cinco especies de reforestación (Cupressus lusitanica, Dipteryx panamensis, Gmelina arborea, Tectona grandis y Vochisya ferruginea) en Costa Rica

Abstract

Debido a la importancia de los residuos de la industria de la madera y su posible aplicación de la torrefacción a este tipo de biomasa para aumentar la eficiencia energética, es que el presente estudio tiene como objetivo de establecer el cambio energético, químico y cambios en el comportamiento termogravimétrico de biomasa de residuos forestales. Para este análisis se utilizó residuos maderables de Cupressus lusitanica, Dipteryx panamensis, Gmelina arborea, Tectona grandis y Vochysea ferruginea. Las cuales se sometieron a tres tiempos de torrefacción (8, 10 y 12 minutos) y tres diferentes temperaturas (200, 225 y 250 °C). Las variables evaluadas fueron pérdida de masa, poder calórico, porcentaje de cenizas, porcentaje de volátiles, porcentaje de lignina y celulosa, contenido de extractivos, análisis TGA y DTG y análisis de los espectros infrarrojos. Los resultados mostraron que la pérdida de masa en las cinco especies estudiadas varía entre 10 % y 70 %. En las propiedades energéticas evaluadas se obtuvo los porcentajes de cenizas vario entre 0,19 % y 7,00 %. Para el contenido de volátiles se tiene que estos varían entre 63 % y 85 % y son mayores que el testigo. En el caso del poder calórico de la biomasa torrefactada varió entre 17 MJ/kg y 23 MJ/kg, aumentando este valor con el aumento de la temperatura de torrefacción. Para las propiedades químicas se obtuvo que para celulosa los contenidos variaron entre 49,85% y 67,57%. En D. panamensis, Gmelina arborea, T.grandis y V. ferrugunea el contenido de celulosa aumenta en las torrefacciones de 250°C. En el contenido de lignina los contenidos variaron entre 27,33% y 41,09 %. En los extractivos en agua fría los porcentajes varían entre 3,70% y 16,86%. En el análisis TGA en las curvas de DTG en las torrefacciones de 250°C no se presentó la señal 290°C y 330°C que representa a la hemicelulosa. D. panamensis fue la especie que obtuvo una mejor estabilidad térmica con energías de activación mayores. En el 2 FTIR se demostró que existe una variación mayor en las torrefacciones a 250°C en las bandas que representan la estructura de hemicelulosa, celulosa y lignina, especialmente la de hemicelulosa. El análisis multivariado mostró que el contenido de lignina, el porcentaje de cenizas, cantidad de extractivos en agua caliente, volátiles, la pérdida de masa, la energía de activación en celulosa y los extractivos son las variables que aportan mayor significancia para agrupar las especies con los diferentes tratamientos de torrefacción. El análisis de estos dos componentes mostró que las torrefacciones a partir de 225°C a 12 minutos presentan mayor degradación de la biomasa y las condiciones de mayor efecto fue la torrefacción en especial la de 250°C a 12 minutos. Las torrefacciones de 200°C a 8, 10 y 12 minutos y la de 225°C a 8 y 10 minutos se pueden clasificar como las más óptimas para torrefaccionar la biomasa. C. lusitanica y D. panamenis son las especies que presentaron mayor estabilidad térmica ante la torrefacción. Por lo tanto, se recomienda utilizar las torrefacciones ligeras de 200°C a 8, 10 y 12 minutos en todas las especies.

Due to the importance of waste from the wood industry and its possible application of torrefaction to this type of biomass to increase energy efficiency, is that the present study aims to establish the energy, chemical change and changes in the Thermogravimetric behavior of biomass of forest residues. For this analysis wood residues of Cupressus lusitanica, Dipteryx panamensis, Gmelina arborea, Tectona grandis and Vochysea ferruginea were used. These were torrefactied in three times (8, 10 and 12 minutes) and three different temperatures (200, 225 and 250 °C). The properties evaluated were mass loss, calorific power, ash percentage, volatile percentage, percentage of lignin and cellulose, extractive content, TGA and DTG analysis and analysis of infrared spectra. The results showed that the loss of mass in the five species studied varies between 10% and 70%. In the energetic properties evaluated, the ash percentages varied between 0.19% and 7.00%. For the volatile content, it is found that these vary between 63% and 85% and are greater than the control. In the case of the calorific value of the torrefaction biomass, it varied between 17 MJ / kg and 23 MJ / kg, increasing this value with the increase of the torrefaction temperature. 3 For the chemical properties it was obtained that for cellulose the contents varied between 49.85% and 67.57%. In D. panamensis, Gmelina arborea, T.grandis and V. ferruginea the cellulose content increases in the torrefactions of 250 ° C. In the lignin, content the contents varied between 27.33% and 41.09. In extractives in cold water, the percentages vary between 3.70% and 16.86%. In the TGA analysis in the DTG curves at the 250 °C torrefaction the inflection in 290 °C and 330 °C representing the hemicellulose was not present. D. panamensis was the species that obtained the best thermal stability with higher activation energies. In the FTIR spectra it was shown that there is a greater variation in the torrefaction at 250 ° C in the bands representing the hemicellulose, cellulose and lignin structure, especially the hemicellulose. The multivariate analysis showed that lignin content, percentage of ash, extractives in hot water, volatiles, loss of mass, activation energy in cellulose and extractives are the variables that contribute most to group the species with the different treatments of torrefaction. The analysis of these two components showed that torrefaction from 225 ° C at 12 minutes presented greater degradation of the biomass especially the torrefaction of 250 ° C at 12 minutes. Torrefaction from 200 ° C at 8, 10 and 12 minutes and the torrefaction from 225 ° C at 8 and 10 minutes can be classified as the optimal for termal treatment of the biomass. C. lusitanica and D. panamenis are the species that presented greater thermal stability before torrefaction. Therefore, it is recommended to use light torrefactions of 200 ° C at 8, 10 and 12 minutes in all species.