CARACTERIZACIÓN DEL BAGAZO DE 4 INGENIOS AZUCAREROS DE GUATEMALA Mario Roberto Muñoz Solares Especialista en Eficiencia Energetica, CENGICAÑA.
RESUMEN En un proceso de combustión, la calidad del combustible es un factor fundamental para lograr mayor eficiencia del proceso. En el caso de los ingenios azucareros La Unión, Santa Ana, Palo Gordo, Trinidad, el bagazo es su principal combustible, dicho bagazo presenta características variables, que lo convierten en un combustible muy poco eficiente. Dos de los factores que contribuyen a esa variabilidad son la humedad y la granulometría, ambos factores inciden en el poder calorífico disponible real. La humedad, representa una pérdida del poder calorífico, porque gran parte del calor desprendido por la oxidación del carbono, se consume en la evaporación del agua contenida en el combustible afectando seriamente la transferencia específica de energía, y aumentando la pérdida de calor en los gases de combustión. El presente estudio se basó en 69 muestras de bagazo tomadas de los cuatro ingenios a lo largo de seis semanas consecutivas, se determinó poder calorífico, humedad y granulometría. Comparativamente, se
obtuvieron humedades con diferencias de hasta 20 %, lo que evidencia diferencias significativas entre ingenios. Por otra parte, la granulometría del bagazo, demostró que el 42.5 % del bagazo no es particulado fino sino “fibras”, que retardan la combustión y aumentan la pérdida por bagazo no quemado, además, la fibras, por su tamaño, no se queman relativamente rápido lo que provoca una inexactitud en el control de combustible de la caldera. También hay diferencias claras entre ingenios ya que existen valores mínimos de fibra de 33.9 % y valores máximos de 49.50 %, esto representa una brecha que puede llegar a reducirse con un proceso de benchmarking constructivo. Palabras claves: bagazo, calderas, eficiencia, ingenios, humedad, granulometría.
ABSTRACT In a combustion process, fuel quality is a key factor to achieve high efficiency of this process. In the case of LaUnion, Santa Ana, Palo Gordo and Trinidad, bagasse is the main fuel. Bagasse has variable characteristics, which makes it a very inefficient fuel. Two of the factors contributing to this variability are moisture and particle size, both factors affect the actual heat value available. Moisture, represents a loss of caloric power, much of the heat released by oxidation of the carbon is consumed in the evaporation of water contained in the fuel seriously affecting the specific energy, and increasing the loss of heat in the combustion fuel. This study was based on 69 samples of bagasse taken from the four mills over 6 consecutive weeks, to determine heat value, moisture content and particle size. Comparatively, humidity values were obtained with differences of up to 20%, which shows significant differences among the mills. The fineness of bagasse, showed that 42.5% of bagasse is not fine particules but rather "fibers", which slows down combustion and increase the loss by unburned bagasse, moreover, because of the fiber size, relatively burning causes an uncertainty in the fuel control of the boiler. There are also clear differences among the mills tested as there are minimum values of 33.9% fiber and maximum values of 49.5%. This represents a gap that may be reduced by a process of constructive benchmarking.
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OBJETIVOS • Diagnosticar el estado actual de las calderas de las plantas de Generación de los ingenios para conocer y establecer las posibles oportunidades de mejora. • Conocer a fondo los combustibles (bagazo) actualmente utilizados, reducir el consumo de los mismos e implementar un manejo eficiente de combustibles renovables en las calderas.
MARCO TEÓRICO El bagazo de caña es un subproducto fibroso compuesto de lignina y celulosa que resulta después de la extracción de azúcar de los tallos de caña. Este material se obtiene a través de una serie de procesos mecánicos de corte longitudinal de tallos, desfibrado por golpe, fricción y por presión entre rodillos, que al final del proceso constituye un conjunto heterogéneo de partículas de diferentes tamaños que oscilan entre 0.1-6.0 mm en diámetro. Poder calorífico (PCSS)
superior
consecuencia, el agua presente en el combustible y la resultante de la combustión del hidrógeno, se condensa. Este valor se determina en laboratorios, mediante ensayos con una bomba calorimétrica. Según Hugot5, el PCS del Bagazo Seco (PCSS) varía muy poco para las diversas variedades de caña y propone un valor medio: PCSS = 4600 kcal/kg y (8364 BTU/lb) Poder calorífico inferior (PCI) Es el calor producido cuando el agua presente en el combustible y la resultante de la combustión del hidrógeno permanece en estado de vapor. Como en la práctica industrial, la temperatura de los productos de la combustión no alcanza el punto de rocío, es este valor el que se usa normalmente en los cálculos de balance y energía. No existen medios directos para determinar su valor y por lo tanto se calcula a partir del PCSS. Hugot5, propone para el bagazo seco la siguiente ecuación: PCIS = PCSS – 5400 * H
(kcal/kg)
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H: kg de hidrógeno/kg de combustible. Esta expresión corresponde al valor del Poder del combustible seco (PCIS). En el caso de bagazo seco con la siguiente composición elemental media: Carbono = 0.47, Hidrógeno = 0.065, Oxígeno = 0.44, Cenizas = 0.025, resulta: PCIS = 4600 – 5400 x 0.065 = 4250 (kcal/kg de bagazo seco) Poder calorífico del bagazo húmedo (PCIH) El bagazo que se emplea en la práctica contiene una cierta cantidad de agua que en estado de vapor se pierde por la chimenea junto con los gases calientes (productos de la combustión). El PCI del bagazo húmedo, se determina teóricamente a partir del PCSS y la composición del bagazo húmedo. Al valor calorífico de la fibra y del azúcar, se le resta el calor de vaporización del agua y del vapor resultante de la combustión del hidrógeno para calcular el PCI: PCIH = 46 * F + 40 * s - 2.5 * W – 350
Es el calor producido por la combustión completa de un kilogramo de combustible a 0 °C y 1 ATM de presión, cuando todos los productos de la combustión se reducen a las mismas condiciones. En
(kcal/kg)
(2)
Hugot5, también considera una forma más simple para calcular el PCI del bagazo húmedo a partir del valor del PCI del bagazo húmedo: PCIH = 4250 - 48.50 * W
(kcal/kg)
(3)
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Humedad Es la propiedad más importante desde el punto de vista de rendimiento energético en la producción de vapor principal, éste depende mucho del tipo de molinos y sus ajustes y de la manera en que la extracción del jugo es llevada a cabo. Normalmente la humedad del bagazo oscila en un rango estrecho entre 49.00 por ciento y 52.00 por ciento. Esto quiere decir, que de una unidad de masa de combustible quemado en las calderas, aproximadamente la mitad es bagazo y la otra es agua. Los efectos de la humedad en la combustión son: Disminuye el poder calorífico inferior, aumenta el volumen de gases y disminuye el rendimiento.
átomos de carbono, por ello es importante optimizar el tamaño de las partículas reduciéndolas cuanto sea posible. La forma, tipo y disposición de la fibra depende del grado de preparación que tenga la caña en el proceso de extracción de jugo, el número de juegos de cuchillas, desmenuzadoras, picadoras y molinos. Un análisis granulométrico indica en la distribución de tamaños, el porcentaje de particulado que se quemará más eficientemente. Un análisis de este tipo, tiene como finalidad obtener la distribución por tamaño de las partículas presentes en una muestra de material. Así es posible también determinar su clasificación. Para obtener la distribución de tamaños, se emplean tamices normalizados y numerados dispuestos en orden decreciente. Método: Se seca el material a temperatura ambiente o en un horno hasta conseguir pesadas consecutivas constantes. A continuación, se deposita la muestra de material en la criba superior del juego de tamices, los que deberán encontrarse limpios, pesados y ordenados en forma decreciente. El juego de cribas deberá contar con una tapa superior y una bandeja inferior para los residuos. Se hace vibrar el conjunto durante 5-10 minutos, ver Figura 1, tiempo después del cual se retira del vibrador y se registra el peso del material retenido en cada tamiz.
Granulometría Un menor tamaño de partícula asegura una mejor combustión, a menor tamaño de partícula de bagazo, menor peso, por lo tanto el tiempo de caída de la partícula desde la entrada al horno a la parrilla es mayor. Además, en los combustibles, tanto en líquidos como en sólidos, es importante el tamaño de partícula debido a que se busca que la oxidación se favorezca en cada uno de los
Finalmente, se calcula el porcentaje de cada peso registrado con respecto al peso
Figura 1. Vibrador de tamices
total de la muestra y se obtiene la distribución de los tamaños del particulado. Se recomienda Finalmente, se calcula el porcentaje de cada peso registradp cpm respecto al peso total de la muestra se obtiene la distribución de ls tamaños del particulado. Se recomienda dibujar la curva de granulometría.
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CARACTERIZACIÓN DEL BAGAZO DE INGENIOS
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El muestreo de bagazo fue realizado en los cuatro ingenios, a lo largo de seis semanas, tres muestras por semana, el bagazo se tomó de la banda transportadora después del último molino. Se calculó humedad presente en cada muestra (CENGICAÑA), se apartaron muestras secas para análisis granulométrico y otras fueron pulverizadas a mesh 80 para realizar análisis de poder calorífico (MEM), a continuación los resultados individuales y comparativos de cada ingenio. Poder calorífico superior seco (PCSS) Este poder se calculó en el Laboratorio Técnico del Ministerio de Energía y Minas, a través de un análisis en Bomba Calorimétrica. Los datos de cada Ingenio corresponden al poder promedio de sus respectivas muestras analizadas, muestras que estaban secas, con humedad cero y pulverizadas a una granulometría de 0.17 mm (80 mesh). En el Cuadro 1 las primeras columnas aparecen los datos promedio de las muestras
de cada ingenio, calculados en kJoules/kg; también aparecen las equivalencias en BTU/lb y kcal/kg. En la Figura 2 se aprecian las diferencias del poder calorífico; nuevamente hay que hacer notar que éste comparativo se hace sobre muestras secas y pulverizadas al mismo tamaño, las diferencias pueden deberse a la cantidad de cenizas en las muestras o a la variedad de caña molida en el momento del muestreo en cada ingenio. El método utilizado por el Laboratorio del MEM fue en base a la norma ASTM-240. Poder calorífico inferior seco (PCIS) Para el cálculo del poder calorífico inferior seco se utilizó la ecuación 1, donde H es la concentración de hidrógeno. Para una concentración de hidrógeno de 0.065. Poder calorífico húmedo (PCIH) Del Manual de Hugot5, considera el PCI del bagazo húmedo a partir de la ecuación 3, donde W representa la humedad del bagazo de cada ingenio, dicha ecuación queda así: PCIHi = PCISi - 48.50 * Wi (kcal/kg) (4)
Figura 2. Poder calorífico superior seco del bagazo
En el Cuadro 1, aparece el resumen del poder calorífico superior seco, inferior seco e inferior húmedo del bagazo de cada uno de los ingenios. El PCIH corresponde al poder disponible real del bagazo.
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Cuadro 1. Poder calorífico superior seco, inferior seco e inferior húmedo del bagazo
En la Cuadro 1, se visualizan los poderes caloríficos disponibles de cada ingenio (PCIH) y el promedio de todas las muestras. Puede verse que el ingenio La Unión y Santa Ana están por arriba de la media, Trinidad y Palo Gordo por debajo. Indudablemente las diferencias se deben a la humedad promedio de cada ingenio contenida en cada una de las muestras.
Humedad Las muestras analizadas con bomba calorimétrica, con poder calorífico descrito anteriormente, fueron secadas previamente en Laboratorio. Sin embargo, para el cálculo del PCIH fue necesario calcular la humedad de cada una de dichas muestras antes de su secado. Esta humedad fue calculada en el Laboratorio de CENGICAÑA, utilizando para ello el método de pesaje antes y después del calentamiento hasta lograr peso constante. En el Cuadro 2 se presentan los promedios de humedad de cada ingenio y el promedio global de la distribución.
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Cuadro 2. Humedad promedio por ingenio
Estas diferencias en la humedad son las que causan menor poder calorífico disponible real (PCIH) explicados anteriormente.
CONTROL HUMEDAD
DE
En la Figura 3, se simula en gráficas de control, la variación de la humedad en los cuatro ingenios, la optimización del control de esta variable está en función de dos aspectos gráficos: El primero es la magnitud de la humedad; mientras menor es la humedad, más cerca del origen de las curvas aparece la medición, el segundo aspecto es la permanencia de las mediciones bajo un determinado perímetro; mientras mayor control de la humedad se tiene, más se respetan los valores perimetrales. El mayor control de la humedad se visualiza en
ingenio La Unión donde el 82 por ciento de los datos de humedad se mantienen dentro del mismo perímetro y además aparecen lo más
cerca posible al centro donde la magnitud de la humedad se hace óptima. Ingenio Santa Ana demuestra en tres puntos, tener la capacidad de manejar menores magnitudes de humedad que los demás ingenios, sin embargo, el resto del tiempo, los valores de humedad evidencian mayor variabilidad. ingenio Trinidad demuestra tener también una capacidad similar, Palo Gordo por otro lado demuestra mayor variabilidad tanto en magnitud de la humedad como en su control.
Figura 3. Gráficas de variabilidad de humedad
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Granulometría El análisis granulométrico de las muestras se hizo en base a bagazo previamente secado sin pulverizar, en el Cuadro 3, aparecen los resultados promediados y en porcentaje. Las muestras de bagazo fueron pasadas por un filtro de 7 cribas más un fondo (de peso previamente tarado), con mesh decrecientes de los siguientes tamaños: 12, 16, 18, 20, 30, 40 y 60, que corresponden a tamaños milimétricos de 1.7, 1.18, 1, 0.85, 0.60, 0.42 y 0.25 respectivamente. Luego se procedió a la agitación de las cribas por 10 minutos/muestra, el siguiente paso consistió en pesar las cribas llenas, restar las taras de las cribas y finalmente calcular el porcentaje de cada peso retenido respecto del peso inicial de la muestra. Con ésto se logró la distribución por tamaños, que quedó de la siguiente manera: partículas mayores de 1.7 mm, entre 1-1.7 mm, entre 0.25-1 mm y menores de 0.25 mm. La distribución final puede verse en el Cuadro 4. La decisión de separar fibras de partículas, y definir los 4 tamaños diferentes mostrados en el Cuadro anterior se puede entender viendo la Figura 4. En la Figura 5, puede verse como se distribuyen los tamaños del bagazo de cada ingenio. La porción morada, representa el bagazo ideal (polvillo) que entra a las calderas, debido a su tamaño, el proceso de combustión se ve favorecido; las porciones celeste y verde,
aunque no son ideales, son partículas con probabilidad de quemado relativamente rápido. Sin embargo, la porción roja, como se ve en la imagen, son fibras que evidentemente no se queman en suspensión, no se queman rápida ni totalmente, y mucho menos instantáneamente, lo que finalmente engaña al control de la caldera. Parte del volumen de estas fibras podrían después del soplado y limpieza de las parrillas, constituirse en combustible inquemado, aumentando así las pérdidas en las cenizas. Cuadro 3. Resultados de Análisis granulométrico
Cuadro 4. Distribución de partículas por tamaño
Figura 4. Imágenes del particulado
Figura 5. Distribución granulométrica por ingenio
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CONCLUSIONES
BTU/lb que representa un 88 % del valor aceptado por Hugot.5
• La humedad es un factor fundamental que afecta el poder calorífico del bagazo, sin embargo, dentro del estudio se evidencia que hay ingenios que tienen mejor controlado este factor, lo que les representa un mejor aprovechamiento del poder calorífico y mayor potencial energético.
BIBLIOGRAFÍA
• El tamaño de particula del bagazo es un factor que influye en su eficiente combustión, las fibras que representan en promedio un 42.50 % del bagazo entrando a las calderas, no se quema inmediatamente, lo que representa una deficiencia del sistema. • La humedad promedio de los ingenios está en un 53%, la distribución muestra valores extremos de 46.10% a 66.09 %, por lo que hay una gran oportunidad de mejora. • La granulometría del bagazo de los cuatro ingenios presenta un 57.50 % de partículas que representan fácil combustión pero un 42.50 % de fibras que retardan la combustión. Los valores extremos de la distribución son 33.90 % y 49.50 % de fibra. • El poder calorífico promedio de los ingenios es de 7434
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AGRADECIMIENTOS Gerencias de Ingenios La Unión, Santa Ana, Trinidad y Palo Gordo, por permitirnos el
muestreo de bagazo. Milton Cifuentes (Ingenio La Unión): Por préstamo de Laboratorio para realizar estudio granulométrico. Wendy Bocaletti (CENGICAÑA): Por estudio de humedad, secado y pulverizado de muestras de bagazo. Francisco Méndez (CENGICAÑA): Por recolección de muestras.
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