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Transformación de biomasas residuales en bio-combustibles
sólidos
Estela Assureira Espinoza Marco A. Assureira Espinoza
TRANSFORMACIÓN DE
BIOMASAS RESIDUALES
EN BIO-COMBUSTIBLES SÓLIDOS
Primera edición
Enero, 2012
Lima - Perú
© Estela Assureira Espinoza &Marco A. Assureira Espinoza
PROYECTO LIBRO DIGITAL
PLD 0464
Editor: Víctor López Guzmán
http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú
PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)
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Lima - Perú, enero del 2011
“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor
“Transformación de biomasas residuales en
bio-combustibles sólidos” Magíster Estela Assureira Espinoza; Ing. Marco A. Assureira Espinoza
Pontificia Universidad Católica del Perú. Departamento de Ingeniería. Sección Ing. Mecánica
Email: [email protected] Email: [email protected]
RESUMEN
Este trabajo de investigación presenta el
proceso de transformación de los residuos
biomásicos que se generan en actividades
agrícolas, agroindustriales y forestales, en
un combustible sólido denominado “bio-
briqueta” para su empleo en aplicaciones
térmicas como calefacción, calentamiento
de agua, secado y cocción de alimentos,
tanto a nivel doméstico como comercial.
Se trabajó con cascarilla de café, cascarilla
de cebada y viruta de madera, residuos
que luego de ser muestreados aplicando el
método “MURA” fueron sometidos a un
proceso de caracterización físico-química
(Ref. 1).
Posteriormente, los residuos fueron
sometidos a un proceso de secado,
molienda y torrefacción. A continuación
fueron mezclados con un aglomerante
orgánico, densificados en una prensa
manual, y, finalmente secados en horno.
Las bio-briquetas desarrolladas mostraron
densidad superior a 700 kg/m3, durabilidad
mayor a 97%, mayor poder calórico que el
material base y resistencia al deterioro
(formación de hongos). Los resultados
obtenidos satisfacen los estándares
internacionales de calidad fijados para este
tipo de combustible.
INTRODUCCIÓN
Las actividades agrícolas, agroindustriales
y las correspondientes a la industria de la
madera generan de modo sostenido una
inmensa cantidad de residuos como
cáscaras, pepas, ramas, virutas, aserrín,
etc., los cuales que en países como
España, Finlandia, Suecia, Alemania y
Estados Unidos de Norte América, vienen
siendo intensamente utilizados como
combustible bajo la forma de productos
densificados (pellets y briquetas) en
procesos de calefacción y generación de
vapor. Con ello se busca reducir el empleo
de los combustibles fósiles utilizados en
procesos térmicos y, disminuir su impacto
ambiental negativo por la emisión de gases
efecto invernadero.
En nuestro país el Ministerio de Energía y
Minas ha establecido como meta, para la
nueva matriz energética nacional, reducir el
consumo de petróleo a 33% y, el
crecimiento del consumo de gas y de las
energías renovables a 34% y 33%
respectivamente.
En este contexto, en el campo de la
biomasa energética, los esfuerzos se
concentran en la producción y empleo de
biodiesel y bioetanol (combustibles líquidos
generados a partir de cultivos energéticos)
destinados principalmente a satisfacer las
necesidades del sector transporte,
existiendo un nicho aún no explotado en lo
referente a la investigación, desarrollo y
empleo de la biomasa residual como fuente
de energía.
Consciente de esta realidad el Grupo de
Investigación Carbón – Biomasa de la
PUCP inició investigaciones sobre las
posibilidades de aprovechamiento de la
biomasa residual como fuente de energía
alterna, limpia y sustentable. Nuestro
trabajo en este campo nos ha permitido
realizar un estimado, a nivel nacional, del
potencial energético existente de la
biomasa residual. Así por ejemplo,
anualmente se dispone de 460,000 TM de
cascarilla de arroz; 600,000 TM de tallos de
algodón y cerca de 90,000 m3 de aserrín,
residuos que poseen en promedio un poder
calorífico de 13,000 kJ/kg y que, no son
aprovechados, encontrándose acumulados
en las cercanías de los centros de
generación (molinos, aserraderos, campos
de cultivo) generando la aparición de
plagas y contaminación razón por la cual,
en la mayor parte de los casos, son
quemados con los problemas ambientales
y sanitarios que esto genera, (Ref. 2).
Con la finalidad de transformar estos
residuos biomásicos caracterizados por su
naturaleza heterogénea, baja densidad
energética y, en muchos casos, por su
elevado contenido de humedad, en un
producto más uniforme, de fácil
manipulación y transporte, con mayor
poder calorífico y menor humedad, se han
desarrollado, en nuestro laboratorio,
procesos de pre-tratamiento del residuo y
densificación. El pre-tratamiento del residuo
depende de la naturaleza de éste y de las
condiciones en que se encuentra y
comprende de los procesos de secado,
triturado, torrefacción y molienda.
La torrefacción es un proceso innovador
que se incorpora en la etapa de pre-
tratamiento del residuo y que incrementa el
poder calorífico, reduciendo los volátiles y
dándole al material propiedades
hidrofóbicas. El material acondicionado es
luego mezclado con un aglomerante
orgánico y densificado por compresión en
una prensa manual obteniendo como
resultado un bio-combustible sólido (bio-
briqueta) que cumple con los estándares de
calidad fijados para este tipo de
combustible siendo adecuado para su
empleo en aplicaciones térmicas como
calefacción, calentamiento de agua, secado
y, cocción de alimentos.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En nuestro país se dispone de un enorme
potencial de biomasa residual posible de
aprovechar para fines energéticos sin
embargo, la baja densidad energética de
los residuos, el grado de dispersión en que
se encuentran, su elevado contenido de
humedad y heterogeneidad constituyen
barreras para su utilización directa en
procesos de combustión y gasificación. A
esto se suma la falta de información sobre
los recursos y las nuevas tecnologías
existentes para su aprovechamiento.
Si bien los diferentes procesos de
densificación desarrollados y aplicados a
los residuos en estado virgen permiten
obtener productos como pellets y briquetas
que se caracterizan por su mayor densidad,
menor contenido de humedad y mayor
resistencia y facilidad para su manipulación
y transporte, comparados con los
materiales de origen, además de tener un
balance neutro de CO2, sin embargo aún
presentan la desventaja de poseer un
elevado porcentaje de materia volátil lo
cual, ocasiona llama amarilla y humos
durante su combustión aspectos no
deseados, (Ref. 3), (Ref. 4). Además, su
poder calorífico resulta ser similar o un
incluso un poco inferior al del residuo de
origen dependiendo del tipo y cantidad de
aglomerante utilizado durante el proceso de
densificación.
Con la finalidad de ofrecer un combustible
de mejor calidad en la presente
investigación se abordarán ambos
aspectos considerados como deficiencias
en los productos densificados de residuos
en estado virgen. PROPUESTA DE SOLUCIÓN
Para el desarrollo de la investigación se
trabajó con cascarilla de café, cascarilla de
cebada y viruta de madera.
El trabajo comprendió el muestreo, la
caracterización físico química, el secado, la
torrefacción, la molienda del residuo; su
mezcla con un aglomerante, la
densificación y posterior secado de las
biobriquetas.
El muestreo
Con la finalidad de poder obtener una
muestra representativa y considerando la
naturaleza heterogénea de los residuos, los
lugares donde se hallan acumulados y, la
forma de montículo como se almacenan, se
aplicó el método “MURA” para lo cual se
hizo uso de caladores, ver figura 1 (Ref. 1).
Fig. 1 Muestreo de residuos
La caracterización físico- química
Las muestras fueron homogenizadas por
cuarteo manual y sometidas a los análisis
elemental, inmediato y de densidad
aparente.
Fig. 2 Caracterización de residuos biomasicos
La caracterización energética de la
cascarilla de café, cascarilla de cebada y
viruta de madera reportó humedades
comprendidas entre 10% y 17%, un alto
porcentaje de materia volátil del orden de
75% y un bajo contenido de cenizas y de
carbono fijo, tal como se ilustra en el
cuadro de la figura 2. Los poderes
caloríficos de las muestras obtenidas
medidos en base seca fueron de 4653
kcal/kg, 5127 kcal/kg y 4865 kcal/kg
respectivamente.
El pre-tratamiento
La etapa inicial implicó el desarrollo de
procesos como secado, triturado, molienda
y tamizado. El tipo de proceso aplicado
dependió de las características y
condiciones del residuo (tamaño, forma,
nivel de humedad).
En el caso de la viruta de madera sólo fue
necesario aplicar un proceso tamizado con
la finalidad de eliminar el polvillo y obtener
fracciones mayores a 3 mm, que resulta ser
la granulometría más adecuada para su
torrefacción posterior. La figura 3 muestra
el equipo de cribado utilizado.
Fig. 3 Cribado de residuos
Sin embargo, en el caso del afrecho de
cebada, proveniente del proceso de
elaboración de la cerveza mostró una
elevada humedad por ello fue necesario
realizar un proceso previo de secado a la
operación de tamizado para reducir su
humedad a valores inferiores al 15%. El
secado se realizó de manera natural al sol,
ver figura 4.
Figura 4 Secado al sol del afrecho de cebada
La torrefacción La torrefacción es un proceso de
transformación termoquímica que consistió
en un calentamiento lento de las biomasas
en una atmósfera con limitada presencia de
oxígeno a una temperatura cercana a los
270°C, (Ref. 5).
Figura 5 Proceso de torrefacción de residuos
La aplicación de este proceso permitió
reducir la humedad y los volátiles, el
incremento del poder calorífico lo que
significa una mejora significativa de sus
propiedades como combustible. El proceso
se llevó a cabo en un reactor cilíndrico
horizontal giratorio calentado mediante un
quemador de gas.
Fig. 6 Residuos biomasicos torrefactados
El densificado
El material torrefactado fue molido a una
granulometría malla Tyler 100 haciendo
uso para ello de un molino de martillos de
laboratorio. Luego, se procedió a mezclar
los residuos con fécula de maíz,
aglomerante orgánico, en proporciones que
no excedan el 15% en peso de éste último
componente con respecto al peso total de
la mezcla. El uso de este tipo de
aglomerante tiene la ventaja de no afectar
el contenido energético de las briquetas
además de presentar un bajo contenido de
cenizas.
Figura 7 Densificación de residuos torrefactados
La mezcla se colocó en el molde de una
prensa manual disponible en el laboratorio
para su compactación trabajándose con
presiones de los 2MPa, (Ref.6).
Fig. 8 Bio-briquetas de cascarilla de café
El secado
Las bio-briquetas obtenidas luego se
sometieron a un proceso de curado a
160°C, en un horno eléctrico, lográndose
reducir el contenido de humedad presente
y, mejorar sus propiedades mecánicas y de
resistencia al agua.
Las bio-briquetas desarrolladas son de
forma cilíndrica de 36 mm de diámetro
exterior con agujero central de 11.5 mm,
una altura entre 30-40 mm en promedio ver
figura 9.
Fig. 9 Control de dimensiones de la bio-briqueta
A continuación, se presenta un cuadro con
los resultados del análisis inmediato
aplicado a las bio-briquetas desarrolladas a
partir de los residuos de cascarilla de café,
cascarilla de cebada y viruta de madera.
Fig. 10 Caracterización de las bio-briquetas
Como se puede apreciar en todos los
casos, se ha logrado una reducción del
contenido de materia volátil y, un
incremento significativo del contenido de
carbono fijo respecto de los valores
registrados para los residuos en estado
virgen.
Finalmente, en el siguiente cuadro se
presentan las especificaciones técnicas de
las bio-briquetas desarrolladas. Bio-briqueta Cas. Café
Bio-briqueta Cas.
Cebada
Bio-briqueta Viruta
madera
- Diámetro (mm) 35.4 35.4 35.3
- Longitud (mm) 30.2 32.2 32.6
- Diámetro agujero (mm)11.5
11.5 11.5
Cenizas (%) b.s. 2.1 5.9 1.4
Durabilidad mecánica (%) 97.6 97.2 97.7
Densidad (kg/m3) 782.4 687.2 721.2
Poder calorífico (Kcal/kg) b.S. 5409 5389 5618
br br Fig. 11 Caracterización de las bio-briquetas
La evaluación de las propiedades de las
bio-briquetas han seguido las
especificaciones del Comité Europeo para
la Estandarización de Biocombustibles
Sólidos CEN335 /TC ( Ref. 7).
CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES
1) La incorporación del proceso de
torrefacción en la transformación de los
residuos cascarilla de café, cascarilla de
cebada y viruta de madera, en bio-
combustibles sólidos, ha permitido lograr
una reducción de la cantidad de volátiles
presentes en los materiales de origen. Las
bio-briquetas desarrolladas a partir de
estos residuos registran valores inferiores
de este componente en 27.4%, 28.5% y
33.4% respectivamente lo cual, se traduce
en reducidas emisiones durante la
combustión de los productos densificados.
Por otro lado, también ha permitido un
incremento significativo del contenido de
carbono fijo llegando a 2.7 veces del valor
original en el caso de la viruta de madera.
2) La aplicación conjunta de los procesos
de torrefacción y densificación a los
residuos cascarilla de café, cascarilla de
cebada y viruta de madera ha permitido
lograr desarrollar bio-briquetas con poderes
caloríficos de 5409 kcal/kg, 5389 kcal/kg, y
5618 kcal/kg respectivamente, medidos en
b.s., valores que resultan ser superiores a
los registrados por los productos de origen.
3) En lo que respecta a las densidades
finales de las bio-briquetas desarrolladas
los mejores resultados se presentaron con
las bio-briquetas de cascarilla de café con
782.4 kg/m3, seguida de las de viruta de
madera con 721.24 Kg/m3 y las de afrecho
de cebada con 687.24 Kg/m3.
4) El proceso de torrefacción aplicado
permite que el residuo se torne más friable,
facilitando con ello las operaciones de
molienda. Además le otorga al material
mejor resistencia a la humedad del
ambiente.
5) Durante la torrefacción se generan
reacciones endotérmicas y exotérmicas
que dificultan el control de la temperatura
del proceso y se observa que el
comportamiento de cada residuo es distinto
en este aspecto.
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