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The energetic conversion of the residual biomass generated in the Ecuadorian agro-industrial sector is an alternative to reduce the consumption of fossil fuels in thermal appliances, mitigate the environmental impacts associated with improper residues disposition and to reduce the agroindustry dependency on subsidies to fossil fuels. In general, most of the residual biomass generated in the agro-industrial sector would have at least one of these characteristics: high ash content and low bulk density. Combustion of low bulk density biomass in the horizontal burner prototype (HBP) developed in this study show to be problematic. Conveying issues (e.g. stagnation and dome formation) and fuel dragging by the combustion air stream produced instabilities in the flame front and prevented a steady combustion process. From the agro-residues analyzed in this study, only palm oil kernel shells (KS) can be converted into thermal energy observing the European eco-design standards, that is, the CO concentration in the flue gas was below 250 mg/Nm3 (values corrected to 11% vol. O2, dry gas). Nonetheless, the ash management within the combustion process must be improved. It was observed that a pyrolysis process, that is, the pyrolysis small and modular auger reactor developed in this thesis can make effective use of most of the low density and high ash content agro-residues considered in this study. Auto-thermal operating conditions were observed when the feedstock of the pyrolysis process was KS. In these conditions, the CO concentration in the flue gas (197 mg/Nm3 at 11% vol. O2, dry gas) was lower than the limit established by the European eco-design standards. For the rest of the agro-residues considered in this study (coffee husks, quinoa stems, and quinoa husks) the pyrolysis gas combustion process took place under cocombustion conditions, that is, a constant thermal energy input is required to keep steady temperatures in the combustion and pyrolysis processes. It is observed that the physicochemical properties of the produced biochar changes according to the feedstock and reactor operating conditions. However, in all the cases the molar H/Corg and O/Corg ratios agree with the guidelines for the sustainable production of biochar. It is further observed that the exergy efficiency of charcoal production is around 65.5%. This estimation considers a fully integrated system was the excess thermal energy generated during carbonization is used to produce work (e.g. drying). The reference payback period associated with a pyrolysis facility in Ecuador assuming a biochar price between 3.5 to 5.3 USD/t would range between 3 to 5 years. However, a high uncertainty concerning the biochar market price is recognized. In general, fossil fuel subsidies hinder the transition towards the use of residual biomass as an energy source. Regardless of changes in the subsidies policy, the increase of the exergy efficiency and the optimization of the capital and operation costs associated with the biomass valorization infrastructures are alternatives to promote the sustainable utilization of the residual biomass generated in the studied agro-industrial sectors. A conversão energética da biomassa residual gerada no setor agroindustrial do Equador é uma alternativa para reduzir o consumo de combustíveis fósseis, mitigar os impactos ambientais associados à disposição inadequada de resíduos e reduzir a dependência da agroindústria aos subsídios dos combustíveis fósseis. O sector agroindustrial dá origem a grandes quantidades de biomassa residual que se caracteriza por apresentar alto teor de cinzas e baixa densidade aparente, e cujo aproveitamento energético tem sido desprezado por razões relacionadas com as tecnologias disponíveis. A combustão deste tipo de biomassa no protótipo de queimador horizontal (HBP) desenvolvido neste estudo mostrou-se problemática. Problemas de transporte (estagnação e formação de abóbada) e arrastamento do combustível pela corrente de ar de combustão produziram instabilidades na frente da chama e impediram um processo de combustão estável. Dos agro-resíduos estudados, apenas a casca do fruto da palmeira de óleo de palma (KS) pode ser queimada obedecendo aos padrões Europeus de eco-design, nomeadamente, a concentração de CO no efluente foi inferior a 250 mg/Nm3 (corrigido a 11% vol. O2, gás seco). No entanto, a gestão das cinzas do processo de combustão ainda precisa ser melhorada. Em alternativa observou-se que um reator de pirólise modular de parafuso seguido de um queimador dos gases de pirólise, ambos desenvolvidos no âmbito deste trabalho, é capaz de processar a maioria dos agro-resíduos de baixa densidade e alto teor de cinzas considerados neste estudo. Foram observadas condições operacionais auto-térmicas quando a matéria-prima do processo de pirólise foi KS. Nessas condições, a concentração de CO no gás de combustão (197 mg/Nm3 a 11% vol. O2, gás seco) foi inferior ao limite estabelecido pelas normas Europeias de eco-design. Para o restante dos resíduos agrícolas considerados neste estudo (cascas de café, talos de quinoa e cascas de quinoa), a combustão do gas de pirólise ocorreu em condições de co-combustão, ou seja, é necessária uma entrada adicional de energia térmica para manter a temperatura constante nos processos de combustão e pirólise. As propriedades físico-químicas do biochar produzido dependem da matéria prima e das condições de operação do reator, tendo sido observado que, em todos os casos, as razões molares H/Corg e O/Corg estão de acordo com as diretrizes para a produção sustentável de biochar. Observa-se ainda que a eficiência exergética na produção de biochar gira em torno de 65,5%. Essa estimativa considera um sistema totalmente integrado onde o excesso de energia térmica gerada durante a carbonização é usado para produzir trabalho (por exemplo, secagem).O período de retorno de referência associado a uma instalação de pirólise no Equador, assumindo um preço de biochar entre 3,5 e 5,3 USD / t, varia entre 3 e 5 anos. No entanto, é reconhecida uma alta incerteza quanto ao preço do mercado de biochar. Em geral, os subsídios aos combustíveis fósseis impedem a transição para o uso de biomassa residual como fonte de energia. Independentemente das mudanças na política de subsídios, o aumento da eficiência exergetica e a otimização dos custos de capital e operação associados às infraestruturas de valorização da biomassa são alternativas para promover a utilização sustentável da biomassa residual gerada nos setores agroindustriais estudados. Programa Doutoral em Sistemas Energéticos e Alterações Climáticas |
