CORRELACIÓN ENTRE PODER CALORÍFICO DEL BAGAZO Y SU PORCENTAJE DE CENIZAS E ÍNDICE DE PREPARACIÓN DE LA CAÑA Mario Roberto Muñoz Solares Especialista en Eficiencia Energética, CENGICAÑA
RESUMEN Se ha analizado el poder calorífico de muestras de bagazo seco de varios ingenios y se han encontrado diferencias que se desean explicar. Dado que la humedad en estas muestras fue de 0 por ciento, se cree que hay otros factores causantes de dichas diferencias. El índice de preparación de la caña en patio y la cantidad de cenizas del bagazo son posibles factores que afectan el poder calorífico del mismo. Sin embargo, el presente artículo demuestra que no existe correlación entre el poder calorífico del bagazo con el índice de preparación de la caña, los datos disponibles para el análisis del porcentaje de cenizas no fueron suficientes para concluir lo mismo.
Palabras claves: bagazo, calderas, eficiencia, ingenios, energía, biomasa, índice de preparación, cenizas.
ABSTRACT Heat content of dry bagasse was determined in samples of various mills and significant differences were determined. Since moisture in these samples was 0 percent, it is clear that other factors might cause among them such differences. Possible factors are the ash content, the variety of cane, the amount of impurities (ash of not plant origin), and the cane preparation index. Cane preparation index on patio (grinders and shredders) is a factor that was thought that might affect the heat value of bagasse. However this article demonstrates that there is no correlation between the heat value of dry bagasse and the cane preparation index.
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OBJETIVOS Establecer una posible correlación entre el poder calorífico superior del bagazo seco con el índice de preparación de la caña. Establecer una posible correlación entre el poder calorífico superior del bagazo seco con el porcentaje de ceniza presente en dicho bagazo.
MARCO TEÓRICO Índice de preparación El método siguiente asigna el grado de preparación de caña midiendo la proporción de ruptura de las células en la caña preparada.2 ICUMSA Ref. 3.3 Método GS7-3 Equipos utilizados Agitador de dos vasos, desintegrador, probeta de 100 ml, balanza, colador o manta, beaker de 250 ml, papel filtro Whatman No.91 o equivalente, embudos, refractómetro, beaker de acero inoxidable. Reactivos Ayuda filtrante, tierra silícea Método 1. Pesar de 3 a 4 kilogramos de caña desfibrada. 2. Separar manualmente o usar un cesto con agujeros para tamizar la muestra.
3. Pesar el residuo (parte gruesa) y restarlo del peso de la muestra, para encontrar el peso de la caña preparada. 4. En uno de los vasos del agitador, pesar 250.0 +/- 0.1 g de caña preparada o bagazo (la parte fina separada de la muestra completa) y luego agregarle 1500.0 +/- 0.1 g de agua fría destilada. Colocar la mezcla en agitación por 30 minutos, asegurarse que no existan derrames de agua. 5. Filtrar la solución con un colador o manta y recolectar el jugo en un beaker, desechar los primeros ml y luego recolectar aproximadamente 500 ml. 6. Del jugo recolectado transferir entre 100 y 150 ml a un beaker de 250 ml, agregar una cantidad suficiente de ayuda filtrante para ayudar la filtración (1.0 g aproximadamente). Agitar vigorosamente hasta dispersar toda la ayuda filtrante, dejar decantar. 7. Filtrar usando papel filtro, desechar los primeros ml y medir el Brix del filtrado (Bx1) 8. Pesar 166.5 +/-0.1 g de muestra y colocar dentro del vaso del desintegrador, agregar 1000 +/- 0.1 g de agua destilada fría y encender el desintegrador por 20 minutos. Para obtener el Brix de la solución (Bx2) seguir los pasos del 5 al 7. Índice de preparación = (Bx1 /Bx2) * 100 * Factor Donde: Factor = (Peso muestra - peso residuo) / (Peso muestra)
(1)
Cenizas en bagazo Cantidad de material que queda después de incinerar la muestra de bagazo seco dentro de una mufla. Este material está constituido esencialmente de minerales y arena; en el Cuadro 1 aparece la composición química de las cenizas de bagazo. Cuadro 1. Análisis químico de las cenizas de bagazo 3 Elemento SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na3O K2O SO3
Por ciento 87.87 % 2.47 % 4.05 % 2.86 % 1.1 % 0.17 % 0.44 % 0.16 %
Análisis por ciento de cenizas en bagazo Para determinar la cantidad de cenizas en una muestra de bagazo húmedo, se utiliza el siguiente procedimiento analítico4.
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Equipos utilizados
Pv = peso de la cápsula vacía.
Balanza, cápsulas de porcelana, horno de secado 105 +/- 2 °C, mufla.
Poder calorífico superior (PCSS)
Método 1. Poner a secar la cápsula de porcelana en el horno durante aproximadamente 30 minutos y dejar enfriar, pesar la cápsula de porcelana vacía y anotar el peso Pv. 2. En la cápsula de porcelana colocar la muestra la cual pesa aproximadamente 10 gramos. 3. Llevar la cápsula a la mufla y calcinarla aproximadamente por cuatro horas, 1 hora a 600 °C, y 3 horas a 800 °C. (La mufla debe estar programada previamente). Verificar el aspecto de las cenizas, que debe ser de un color claro uniforme. No deben aparecer partículas de carbón, en caso contrario introducir de nuevo en la mufla. 4. Liberar la temperatura de la mufla abriendo una mínima parte la puerta por aproximadamente 1 hora. 5. Enfriar la muestra a temperatura ambiente durante 30 minutos aproximadamente. 6. Pesar la cápsula de porcelana y anotar como Ps. Cálculo: % Cenizas = [(Ps - Pv) /10] * 100 (2) Donde: Ps = peso de la cápsula con las cenizas.
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 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 Hugot1, el poder calorífico superior seco del bagazo (PCSS) varía muy poco para las diversas variedades de caña y propone un valor medio de: PCSS = 8364 BTU/lb.
PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS El estudio consistió de 6 pasos: 1. Recolección de muestras. En tres ingenios se procedió a tomar muestras de bagazo de 400 gramos de la banda transportadora que va de molinos a calderas. Para evitar la evaporación de posibles compuestos, pérdidas de humedad y alteraciones del poder calorífico, las muestras se colocaron en bolsas plásticas con cierre hermético (Ziploc). Se tomaron tres muestras por semana, luego fueron trasladadas a CENGICAÑA para el análisis de humedad. Las muestras se tomaron a lo largo de seis semanas. 2. Análisis de humedad. En el Laboratorio de CENGICAÑA, se determinó la humedad de las muestras, se utilizó el método de Calentamiento en horno a 70 °C, hasta que el peso de la muestra ya no cambia, se resta la tara de la bolsa y se divide el peso constante entre el peso inicial, de ésta manera se obtiene el porcentaje de humedad de dicha muestra. 3. Análisis de poder calorífico. Las muestras totalmente secas, fueron pulverizadas a un mesh de 80 (0.17 mm) y son enviadas en bolsas plásticas herméticas al Laboratorio Técnico del Ministerio de Energía y Minas, donde se determina el poder calorífico superior (Método de bomba calorimétrica, ASTM240). Para cada muestra la humedad utilizada fue la calculada en el Laboratorio de CENGICAÑA y el PCSS fue el obtenido en el Laboratorio del MEM. 4. Índice de preparación de la caña. En los ingenios donde se recolectaron las muestras de bagazo, en sus laboratorios internos, se hace semanalmente un análisis del índice de preparación. Para 39 muestras se determinó que había un índice de preparación.
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5. Análisis de porcentaje de cenizas. En los ingenios donde se recolectaron las muestras de bagazo, se encontró que para 9 muestras sí se realizaron análisis para calcular el porcentaje de cenizas.
6. Análisis de correlación. Se busca una posible correlación entre el índice de preparación de la caña y el porcentaje de cenizas de un día específico con el poder calorífico superior que el bagazo presentó el mismo día.
Cuadro 2. Índice de preparación, humedad y poder calorífico del bagazo
I - Prep % 64.78 66.81 69.64 70.81 71.60 72.00 74.93 75.62 75.84 75.94 76.03 76.04 79.19
Humedad % 53.1 57.1 49.9 50.5 53.2 47.7 55.7 46.9 57.0 56.8 49.4 52.1 47.9
Poder calorífico superior seco (PCSS) kJ/kg BTU/lb 16933 7280 17173 7384 17220 7408 17550 7545 17327 7449 17485 7518 17437 7496 17347 7458 17133 7366 17238 7411 17230 7409 17447 7500 17277 7428
Promedios de 39 muestras de 3 ingenios
RESULTADOS OBTENIDOS A continuación en el Cuadro 2, se ve el índice de preparación que los ingenios tuvieron en la caña que produjo el bagazo analizado. También la humedad y el poder calorífico del mismo. Se realizó un análisis de correlación entre el índice de preparación de la caña y el poder calorífico del bagazo, con un coeficiente de correlación de 0.36 un una prob de 0.2074, se determinó que no existe significancia en la correlación. La Figura 1 ilustra el comportamiento del poder calorífico de bagazo a diferentes valores de preparación de la caña.
Figura 1.
Correlación entre Índice de preparación de la caña (%) y Poder calorífico del bagazo seco (kJ/kg)
A continuación en el Cuadro 3, aparece el porcentaje de cenizas del bagazo analizado. También aparece la humedad y el poder calorífico del mismo.
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Cuadro 3. Porcentaje de cenizas en muestras de bagazo, ingenio La Unión, 2011-2012 Fecha 09/04/2012 20/03/2012 09/04/2012 20/03/2012 12/03/2012 20/03/2012 09/04/2012 12/03/2012
Numero 26 21 25 19 18 20 27 16
Combustible
Muestra
Bagazo Bagazo Bagazo Bagazo Bagazo Bagazo Bagazo Bagazo
2 3 1 1 3 2 3 1
Ingenio La Unión La Unión La Unión La Unión La Unión La Unión La Unión La Unión
CENGICAÑA F-100-04-12 F-73-03-12 F-99-04-12 F-71-03-12 F-58-03-12 F-72-03-12 F-101-04-12 F-56-03-12
Humedad % 49.52 52.93 48.45 53.42 49.33 53.32 49.5 46.10
CODIGO MEM 0668-12 0546-12 0665-12 0558-12 0537-12 0559-12 0667-12 0536-12
Poder calorífico superior
kJ/kg 17180 17220 17230 17290 17420 17470 17500 17550
BTU/lb 7387 7404 7407 7432 7489 7511 7524 7547 prom
Ceniza % 2.14 2.34 2.14 2.34 1.54 2.34 2.14 1.54 2.07
Al realizar el análisis del porcentaje de cenizas en las muestras de bagazo, se determinó una prob de 0.1984, por lo que la correlación no es significativa. La Figura 2 ilustra el comportamiento del poder calorífico de bagazo a diferentes porcentajes de ceniza en el mismo bagazo, con un coeficiente de correlación de 0.5 se demuestra lo concluido anteriormente. Figura 2. Correlación entre el porcentaje de cenizas y poder calorífico del bagazo seco
CONCLUSIONES • El poder calorífico del bagazo no se ve afectado significativamente por el grado de preparación de la caña en las picadoras y/o desfibradoras. El bagazo de granulometría fina se quema mejor en los hornos de las calderas, debido a que posibilita una mejor atomización con el aire, sin
embargo, el contenido energético para un volumen de bagazo sigue siendo el mismo sin importar el índice de preparación. • La humedad del bagazo no varía de acuerdo al grado de preparación de la caña en las picadoras y/o desfibradoras. • El poder calorífico del bagazo seco no demostró estar relacionado significativamente con la cantidad de ceniza presente en el mismo bagazo, sin embargo, de las 68 muestras analizadas (cuatro ingenios analizados) y de las que se analizó su poder calorífico, solamente nueve tenían historial del
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porcentaje de cenizas, por lo que se hace necesario repetir el estudio utilizando una mayor cantidad de muestras.
RECOMENDACIÓN • Buscar granulometrías finas del bagazo a través de mejoras en el índice de preparación de la caña, no mejorará el poder calorífico del combustible, sin embargo, sí favorece la atomización del combustible dentro del horno de las calderas. Mejorar el índice de preparación de la caña implica mejoras para la combustión y la eficiencia energética, aunque el poder calorífico no presente cambios. Repetir el estudio, aumentar el número de muestras a un mínimo de 25, calcular en todas el porcentaje de cenizas y luego medir poder calorífico, de ésta manera
se tendrá mayor representatividad.
BIBLIOGRAFÍA Hugot E. 1963. Manual para ingenios azucareros. CECSA. México. 803 pp. International Commission for Uniform Methods of Sugar Analysis (ICUMSA). 2006. Libro de Métodos. Bartens. Alemania. Physicochemical Study of bagasse and bagasse ash from the sugar industries of NWFP. 2009. Khurshid Ali, Noor Ul Amin and Mohammad Tahir Shah. Pakistán. 375- 378 p. TECNICAÑA. 1989. Manual de Laboratorio para la industria azucarera. Colombia.
AGRADECIMIENTO A Francisco Méndez, CENGICAÑA. Por la toma y manejo de las muestras. Lic. Wendy Bocaletti. CENGICAÑA. Por análisis de humedad, pulverización de las muestras. Inga. Violeta Castañeda. Ingenio La Unión, Por análisis de Índice de preparación de la caña. Ing. Alexis González. Ingenio Palo Gordo, Por análisis de Índice de preparación de la caña. Ing. Miguel Emilio Morales. Ingenio Santa Ana, Por análisis de Índice de preparación de la caña.
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