PODER CALORÍFICO DE BAGAZO ALMACENADO (Caso Palo Gordo) Mario Roberto Muñoz Solares Especialista en Eficiencia Energética, CENGICAÑA
RESUMEN Algunos ingenios guardan bagazo durante la operación, como estrategia para contar con el combustible necesario para el arranque de las calderas en la siguiente zafra, así evitan el uso de leña o bunker C. Por ésta razón, es necesario conocer cómo varía la humedad y el poder calorífico del bagazo después de almacenarse durante largos periodos de tiempo (hasta 6 meses). En este artículo se presentan los resultados obtenidos de los análisis de humedad y poder calorífico del bagazo almacenado del Ingenio Palo Gordo; algunas de las muestras para el estudio se tomaron de la superficie de la pila de bagazo y otras de bagazo compactado dentro de la misma pila. Se determinó que el bagazo almacenado tiene entre 2-5 por ciento menos poder calorífico y entre 11-29 por ciento menos humedad, los efectos combinados hacen del bagazo almacenado una buena estrategia energética, siempre y cuando, el bagazo sea almacenado bajo techo y con la rotación adecuada dentro del mismo (revolverlo frecuentemente).
Palabras claves: bagazo, calderas, eficiencia, ingenios, energía, almacenaje, biomasa.
ABSTRACT Some sugar mills store bagasse produced during operation, this is a strategy to have enough fuel for the boilers to start the subsequent period of production, thus avoiding the use of firewood. For this reason it is necessary to know how varying moisture and heat value of bagasse varies along storage for long periods of time (six months). This article presents the results obtained from the study of moisture and heat value of bagasse stored in Palo Gordo sugar mill. Some of the samples for the study were taken from the surface of the bagasse pile, and other from compacted material within the same pile. It was determined that the stored bagasse has between 2-5 percent less heat value and between 11 and 29 percent less moisture; this combined effect of stored bagasse makes a good energy strategy, provided that the bagasse is stored under roof and proper rotation within the same (mix frequently).
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OBJETIVO Determinar cómo varía la humedad y el poder calorífico del bagazo luego de estar almacenado bajo techo, durante época de No zafra, caso ingenio Palo Gordo.
MARCO TEÓRICO Poder calorífico superior (PCSS) 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. Poder calorífico inferior (PCIS) Es el calor producido cuando el agua presente en el combustible y la resultante de la combustión del hidrógeno permanecen en estado de vapor. Como en la práctica industrial, la temperatura de los productos de la combustión no alcanza el punto de rocío, es éste 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. Hugot1, propone para el bagazo seco la siguiente ecuación: PCIS = PCSS – 5400 * H
(kcal/kg)
(1)
Donde 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: fibra, azúcar y humedad, 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
(kcal/kg)
(2)
Hugot1, también considera una forma más simple para calcular el PCI del bagazo húmedo a partir del valor del PCI del bagazo húmedo: PCIH = PCIS - 48.50 * W
(kcal/kg)
(3)
PROCEDIMIENTO El estudio consistió básicamente de 3 etapas: 1. Recolección de muestras. Se procedió a tomar 10 muestras de bagazo de la bagacera del ingenio (400 g por muestra), el bagazo dentro de la bagacera tenía aproximadamente seis meses de estar almacenado bajo techo, dos caras de la pila de bagazo estuvieron expuestas a las corrientes de aire ambiental (no a la lluvia) y las otras dos se mantuvieron tapadas por paredes de block. El bagazo fue compactado por un cargador frontal mientras la bagacera fue llenándose durante la zafra. La mitad de las muestras (5) fueron tomadas de la superficie de la pila de bagazo, mientras que las otras cinco, fueron tomadas del bagazo a una profundidad de dos metros en la pila de bagazo. En la Figura 1, aparece una imagen de la pila de bagazo, los números del 1 al 10 identifican al lugar y a la muestra tomada. Hay que hacer notar, que la parte de bagazo expuesta en la imagen, fue descubierta por la acción del descargador frontal (vehículo tipo tractor) recientemente antes de tomar la muestra, es decir, que la
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parte oscura de la pila estuvo inmersa en la pila total a lo largo del período de no zafra. Las muestras se colocaron en bolsas plásticas con cierre hermético (Ziploc), para evitar la volatización de posibles compuestos y para evitar pérdidas de humedad. Las muestras se tomaron en un solo día y luego fueron trasladadas a CENGICAÑA para el análisis de humedad. 2. Análisis de humedad. En el Laboratorio de CENGICAÑA, se determinó la humedad de las muestras, utilizando el método de calentamiento en horno a 70 °C, hasta lograr que el peso de la muestra con el tiempo ya no cambie, restando la tara de la bolsa, y dividiendo el peso final entre el peso inicial, se obtiene el porcentaje de humedad de la muestra. A continuación, en el Cuadro 1 aparece la referencia de las muestras, el código asignado en CENGICAÑA y la ubicación de cada muestra dentro de la pila de bagazo. 3. Análisis de poder calorífico. Las diez muestras totalmente secas, fueron pulverizadas a un mesh de 80 (0.17 mm) y fueron enviadas en bolsas plásticas herméticas al Laboratorio Técnico del Ministerio de Energía y Minas, donde fue calculado el poder calorífico (Método de bomba calorimétrica, ASTM-240).
Para calcular el poder calorífico inferior (pérdidas en evaporación del agua por reacción del hidrógeno) y el poder calorífico húmedo o poder calorífico disponible (pérdidas por humedad del bagazo) se utilizaron las fórmulas (1) y (3) respectivamente. 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.
Figura 1. Pila de bagazo y distribución de los puntos de muestreo Cuadro 1. Identificación de las muestras
RESULTADOS OBTENIDOS En el Cuadro 2, para cada una de las muestras, pueden verse los valores obtenidos y calculados, tanto de la humedad como de los
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poderes caloríficos. Más adelante se analiza gráficamente el efecto
combinado de la humedad y el poder calorífico disponible para las muestras dependiendo de su localización en la pila de bagazo.
Cuadro 2. Poder calorífico superior, inferior y húmedo (disponible) de las muestras de bagazo almacenado
Conversiones: 1 kcal/kg = 4.230 kJ/kg
A continuación, en la Figura 2, se visualiza la humedad que se presenta en el bagazo, la primera columna indica la humedad promedio de bagazo que el ingenio Palo Gordo reportó durante la zafra 20112012, saliendo de molinos, es decir, entrando al almacenaje. Aproximadamente después de seis meses, se tiene que la humedad del bagazo almacenado en las partes profundas de la pila de bagazo (segunda columna) tiene un promedio de 40 por ciento de humedad, lo que indica una reducción del 11 por ciento de humedad, finalmente, en la tercera columna aparece el valor medio de la humedad del
& 1 kcal/kg = 1.818 BTU/lb
bagazo que se guardó y quedó superficialmente en la pila de bagazo, la misma es de 22 por ciento, que es un 29 por ciento menos que la humedad inicial.
Figura 2. Comparativo de % de humedad entre bagazo producido y almacenado (IPG)
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En cuanto al poder calorífico superior seco (PCSS), se encontró que las muestras que provenían de la parte superficial de la pila de bagazo, tienen un mayor poder calorífico que las que provienen de la parte profunda (2 m), además, las muestras 2,3 y 1 en la pila, corresponden al área más expuesta al aire del ambiente (ver Figuras 1 y 3). Se graficaron los promedios del poder calorífico disponible de las muestras superficiales y profundas (Figura 4), éste poder calorífico disminuye con respecto al poder calorífico del bagazo recién producido y el promedio de otros ingenios, el resultado comparativo se presenta en la Figura 4. El poder calorífico del bagazo almacenado y compactado, tiene un 4.92 por ciento menos poder calorífico que el bagazo que está recién producido, el bagazo guardado superficialmente tiene un 2.16 por ciento menos poder calorífico que el bagazo que está recién producido. Se desconocen las reacciones químicas que pudieran descomponer la fibra disponible del bagazo bajo éstas condiciones y que disminuyen el poder calorífico. En la Figura 5 se ve la comparación del poder calorífico “disponible” (con la adición del efecto por la humedad), si se compara con los resultados de un estudio anterior realizado en el ingenio Palo Gordo (en la misma zafra), y el promedio de muestras de bagazo de otros tres ingenios, se concluye que el poder calorífico
del bagazo almacenado con la pérdida de poder calorífico pero combinado con su menor humedad, tiene una clara ventaja.
Figura 3. Poder calorífico superior seco de cada muestra (BTU/lb)
Figura 4. Comparativo de poder calorífico (BTU/lb)
Figura 5.
Comparativo del Poder calorífico del bagazo seco de diferentes fuentes (BTU/lb)
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CONCLUSIONES • El bagazo almacenado durante la época de no zafra, en el ingenio Palo Gordo, tiene 22 por ciento de humedad, éste es el bagazo que fue guardado bajo techo pero expuesto a las corrientes de aire ambiental. En el mismo sitio, el bagazo que fue guardado pero no fue aireado por estar dentro de la pila de bagazo compactado tiene un 40 por ciento de humedad. Bajo éstas condiciones, el bagazo almacenado es menos húmedo que el recién salido de molinos durante la zafra.
lluvia, con suficiente aireación y con rutinas de rotación (revolver, llevar bagazo profundo a zonas superficiales y viceversa) aún durante largos periodos de tiempo, puede representar reducciones significativas en la humedad del bagazo, lo que permite a quien asume esta estrategia, lograr un mejor aprovechamiento del poder calorífico de éste combustible, el poder calorífico del mismo se ve levemente reducido, sin embargo, con la adecuada rotación del bagazo, esta pérdida será compensada en el cálculo del poder calorífico disponible, el cual es el que finalmente se aprovecha en las calderas.
BIBLIOGRAFÍA Hugot E. 1963. Manual para ingenios azucareros. CECSA. México. 803 pp. Agüero A., Pisa J., Agüero C. y A. Torres. Poder calorífico del bagazo de caña de azúcar. Argentina. 6 p.
• El bagazo almacenado durante la época de no zafra, en el ingenio Palo Gordo, tiene 2.16 por ciento menos poder calorífico que el bagazo fresco si se guarda en la parte superficial de la pila, y un 4.92 por ciento menos poder calorífico si queda guardado en la parte compactada de la pila.
Agüero C., Pisa J. y R. Andina. 2006. Consideraciones sobre el aprovechamiento racional del bagazo de caña como combustible. Argentina. 27: p 8.
• Guardar bagazo implica aceptar una pérdida del poder calorífico del mismo, sin embargo, el combinar el efecto de reducir la humedad entre un 11 y 29 puntos porcentuales, hace energéticamente viable dicha decisión.
Garcés Rosa y Sandra Martínez. Estudio del poder calorífico del bagazo de caña en la industria azucarera de la zona de Risaralda. Colombia. 57 p.
Díaz R. 2008. Caracterización energética del bagazo de caña de azúcar del Ingenio Valdéz. Ecuador, 4 p. Diez Oscar, Cárdenas G. y Luis F. Mentz. 2010. Poder calorífico superior de bagazo, médula y sus mezclas, provenientes de la caña de azúcar de Tucumán, Argentina. 87: pp 29-38.
AGRADECIMIENTO A Ing. Erick Castillo. Gerencia de Generación de Ingenio Palo Gordo. Solicitante y facilitador del estudio.
RECOMENDACIÓN
Lic. Wendy Bocaletti De Cano. Laboratorio de CENGICAÑA. Por análisis de humedad, secado y pulverización.
Guardar bagazo, cuidadosamente protegido de la
Francisco Méndez, CENGICAÑA. Por la toma y manejo de las muestras.
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