Introducción
La palma africana (Elaeis guineensis) es uno de
los cultivos agroindustriales más grandes en Ecuador, ya que, ocupa una gran
cantidad de mano de obra en las diferentes fases de campo, productiva y de
industrialización. este cultivo ha alcanzado importancia económica gracias a la
demanda del mismo a nivel mundial, esto se evidencia en un aumento de las
plantaciones en el Ecuador de un 187 % entre los años de 1995 y 2005 (Asociación
Nacional de Cultivadores de Palma Africana [Ancupa], 2011).
Figura 1
Fibra y cuesco obtenidos del procesamiento de palma africana
Fuente. Elaboración propia
El aceite de palma africana se obtiene de la parte pulposa de la fruta, en este proceso se utilizan algunas operaciones de tipo convencional y de las cuales se derivan subproductos como raquis (racimos vacíos), torta de palmiste, cuesco, fibra y efluentes. Es un gran desafío para esta industria la disposición y aprovechamiento de los subproductos antes mencionados ya que estos pueden ser reaprovechados o desechados, pero antes deben someterse a algún tratamiento previo (Ocampo, 1994).
El proceso de extracción de la palma africana se realiza en forma mecánica. Además algunos subproductos que se obtienen del procesamiento de la misma como el cuesco y la fibra pueden ser utilizados para producir vapor de agua, mismo que se utiliza para la autogeneración de energía eléctrica y para cocinar la fruta en los esterilizadores de la planta de procesamiento de palma africana (Ministerio de Comercio Exterior, 2017).
El cuesco de palma africana puede ser usado como combustible alternativo tanto para uso industrial como comercial, además es un buen sustituto del diésel y GLP. El uso de cuesco de palma africana como alternativa para producir energía térmica puede generar importantes ahorros, además la inversión en la implementación de la infraestructura asociada al proceso de producción de la misma puede recuperarse entre 4,3 y 3,8 años. Por otro lado, la legislación del Ecuador brinda incentivos tributarios al uso de energías renovables (Heredia, 2017).
Por otro lado, los análisis experimentales del proceso de combustión de biomasa, específicamente del cuesco de palma africana, muestran que las temperaturas alcanzadas son muy similares a los valores que se reportan en la literatura de combustión de biomasa. Sin embargo, se debe tomar en cuenta que la operación en condiciones de altura (2.634 m s. n. m.), tal como se da en algunos casos en el Ecuador, necesita un exceso de aire que se encuentre por encima de los valores comunes utilizados a condiciones normales. Durante el proceso de combustión se generan cantidades de ceniza, las cuales requieren de tratamientos y estudios a profundidad (Heredia, 2017).
Actualmente, la fibra y el cuesco se mezclan y se queman a diferentes porcentajes en calderas de vapor sin un tratamiento previo, por lo tanto, se debe considerar que sin un tratamiento previo la combustión de la fibra no es una buena alternativa para obtener energía, como consecuencia hay un gran interés por métodos rentables de refinamiento y compactación de la misma con el fin de aprovechar al máximo su energía (Van Dam, 2016).
Materiales y métodos
La caracterización de la biomasa es muy importante, ya que, se puede prever el comportamiento de la misma en las diferentes fases involucradas en su uso como fuente de energía (obtención, transporte y conversión energética). Las propiedades de la biomasa que fueron estudiadas son: físicas y químicas (Gaona, 2014).
Caracterización física del cuesco y la fibra
Humedad
Es la cantidad de agua total que contiene la masa de una muestra de biomasa, es decir, es el contenido de agua por kilogramo de materia seca (Gaona, 2014). Para determinar la humedad de los residuos de biomasa (cuesco y fibra) se tuvo en cuenta la norma TAPPI-T-412m.
Se utilizó la siguiente ecuación
para calcular la humedad:
Donde:
Mo: Masa inicial (g)
Mf: Masa final (g)
Distribución
de tamaños
Granulometría: sirve para determinar la distribución por tamaños de
las partículas de un árido. Se utilizan cedazos o tamices con el fin de conocer la distribución de tamaños de las
partículas de una muestra de árido (García et al., 2009). Para la
caracterización física se realizó el análisis granulométrico utilizando una
muestra considerable equivalente a 1300g y un sistema de tamices manual
Soiltest INC., y se procedió a realizar el tamizado manual para obtener
diferentes tamaños de cuesco en cada tamiz.
Cálculo de la densidad real y aparente del cuesco
Densidad real
Es la medida del cambio de volumen provocado por el desplazamiento de un fluido por un peso conocido de granos (Levenspiel, 1993).
Para
el cálculo de la densidad real del cuesco se utilizó el principio de Arquímedes
(Hewitt, 2009).
Para el cálculo de la densidad real del cuesco se utilizó el principio de Arquímedes (Hewitt, 2009).
Es la medida del volumen que ocupa un peso conocido de partículas.
Densidad aparente
Es la
medida del volumen que ocupa un peso conocido de partículas
Para
el cálculo de la densidad aparente se utilizó el método de la probeta.
Caracterización
química del cuesco y la fibra
Contenido de cenizas
El contenido de cenizas nos brinda información acerca de la cantidad de materia sólida no combustible por kilogramo de material. Las cenizas son un tipo de residuo inorgánico que queda después de la combustión del carbón fijo (Gaona, 2014).
La determinación del contenido de cenizas se realizó con base en el método de ensayo BS EN 14775:2009, que corresponde a la norma para la determinación del contenido de cenizas de biocombustibles sólidos.
Ecuación para el cálculo del contenido de cenizas:
Donde:
m1: masa del crisol vacío y limpio
m2: masa en gramos del crisol y la muestra antes del ensayo
m3: masa en gramos del crisol y la muestra después del ensayo
H: contenido de cenizas.
Poder calórico
El poder calórico de un combustible es el calor que se desprende por unidad de masa de combustible en un proceso de combustión completa. El poder calorífico de un combustible es una indicación de la energía químicamente combinada en el combustible referente a un ambiente estandarizado. La estandardización implica la temperatura, el estado del agua (vapor o líquido) y los productos de la combustión (CO2, H2O, etc.) (Toscano,2009).
Los ensayos para obtener el poder calórico del cuesco y la fibra se realizaron en el laboratorio de Biomasa del INER-Ecuador utilizando una bomba calorimétrica.
Pruebas de fluidizado en el secador de lecho fluido
Posteriormente, se procedió a realizar las pruebas de fluidización en el secador de lecho fluido que se encuentra en el Laboratorio de Química de la UISEK. El secador fue diseñado y construido por estudiantes de pregrado de la Facultad de Ciencias Ambientales de la UISEK. Se utilizó un secador con características básicas.
El
secador de lecho fluido se constituye de las siguientes partes:
-
Estructura de soporte
Sistema de calentamiento de aire
Ventilador centrífugo (blower)
Cámara de calentamiento
Distribuidor de aire y cámara de secado.
Figura
2.
Secador de lecho fluido
Fuente: Elaboración prop
Resultados
Se realizaron ensayos de laboratorio por triplicado del cuesco y de la fibra. Los resultados se presentan a continuación:
Tabla 1
Cálculos de humedad del cuesco y fibra
Fuente. Elaboración propia
|
Muestra
|
Porcentaje de humedad cuesco (%)
| Porcentaje de humedad fibra (%)
|
|
M1
|
19,674
|
37,483
|
|
M2
|
19,592
|
38,423
|
|
M3
|
19,598
|
37,832
|
|
PROMEDIO
|
19,621
|
37,913
|
| | |
Análisis granulométrico
Se realizó el proceso de tamizado y
se procedió a medir la masa de la muestra que quedó retenida en cada tamiz, los
resultados obtenidos se presentan en la tabla 2.
Tabla 2.
Resultados del proceso de tamizado
Fuente. Elaboración propia
|
Peso original (g)
|
1300,00
| | | | |
|
Malla #(in)
|
Abertura tamiz (mm)
|
Peso retenido(g)
|
% parcial retenido
|
% retenido acumulado
|
% que pasa
|
|
¾
|
19,00
|
158,31
|
12,18
|
12,18
|
87,82
|
|
½
|
12,50
|
156,76
|
12,06
|
24,24
|
75,76
|
|
3/8
|
9,50
|
780,21
|
60,02
|
84,25
|
15,75
|
|
¼
|
6,35
|
40,06
|
3,08
|
87,33
|
12,67
|
|
4
|
4.75
|
36,70
|
2,82
|
90,16
|
9,84
|
|
10
|
2,00
|
38,27
|
2,94
|
93,10
|
6,90
|
|
80
|
0,14
|
50,31
|
3,87
|
96,97
|
3,03
|
|
100
|
0,074
|
38,07
|
2,93
|
99,90
|
0,10
|
|
Sumatoria
| |
1298,70
|
99,89
| | |
Al realizar la sumatoria del peso retenido en cada tamiz, al final tuvimos un error de 0,1 %, que se considera como un valor bajo, el error que existe se debe a pérdidas de los residuos en el proceso del tamizado.
La muestra retenida en la malla de 3/8” es la que predomina en la muestra seleccionada inicialmente para el análisis.
Densidad real y aparente
Para obtener los valores de las densidades del cuesco y la fibra se realizaron ensayos por triplicado en el Laboratorio de Química de la UISEK.
Tabla 3.
Cálculos de la densidad real y aparente del cuesco
Fuente: Elaboración propia
|
Cuesco
|
Fibra
|
|
Muestra
|
Densidad real (g/cc)
|
Densidad aparente (g/cc)
|
Densidad aparente (g/cc)
|
|
1
|
1,415
|
0,495
|
0,081
|
|
2
|
1,386
|
0,473
|
0,069
|
|
3
|
1,354
|
0,522
|
0,063
|
|
Promedio
|
1,385
|
0,497
|
0,071
|
Contenido de cenizas
Al
medir el contenido de cenizas se obtuvieron los resultados que se muestran en
la tabla 4.
Tabla 4.
Cálculos del contenido de cenizas del cuesco
Fuente: Elaboración propia
|
Muestra
|
Porcentaje de cenizas cuesco (%)
|
Porcentaje de cenizas fibra (%)
|
|
1
|
5,591
|
9,063
|
|
2
|
5,832
|
10,720
|
|
3
|
5,923
|
9,874
|
|
Promedio
|
5,782
|
9,886
|
| | |
Poder calórico
Después
de realizar los ensayos por triplicado del poder calórico superior del cuesco y
la fibra en los laboratorios de INER se obtuvieron los siguientes resultados:
Tabla 5.
Capacidad calórica del cuesco y la fibra
Fuente. Elaboración propia
|
Muestra
|
Cuesco
PCS(MJ/kg)
|
Fibra
PCS(MJ/kg)
|
|
1
|
20,22
|
19,84
|
|
2
|
20,24
|
19,65
|
|
3
|
20,23
|
19,71
|
|
Promedio
|
20,23
|
19,73
|
Pruebas
de fluidización en el secador de lecho fluido
Para
determinar el efecto de fluidización en la combustión de calderas, se
realizaron pruebas de fluidización a condiciones de laboratorio, es decir a
presión y temperatura constantes.
Figura
3.
Pruebas en secador de lecho fluido
Fuente: Elaboración propia
Se realizó la mezcla de cuesco y fibra con la cantidad de 70 % cuesco y 30 % fibra que es el óptimo que se utiliza en la palmicultora en la cual se obtuvieron las muestras:
Masa total (cuesco y fibra) = 280g
Masa de la fibra (30 %) = 84g
Masa del cuesco (70 %) 196g
Se realizaron pruebas con el fin de observar el comportamiento del cuesco y la fibra en la columna de fluidización del secador de lecho fluido.
Discusión
de resultados
Para la comparación de resultados del análisis
fisicoquímico del cuesco y la fibra, se tomó como referencia los estudios
realizados por (Soh, 2016a) en “The potential of the Malaysian oil palm biomass as a
renewable energy source”. Los resultados obtenidos se
presentan en la tabla 6.
Tabla 6
Propiedades de combustión para biomasa de palma de
aceite
Fuente:
adaptado de Soh (2016 a).(b.s.) En base seca
|
Biomasa
|
Contenido de
humedad(%b.s.)
|
Contenido de
cenizas(%b.s.)
|
Contenido de
materia volátil(%b.s.)
|
Poder calorífico
superior (MJkg-1)
|
|
Tusa
|
67.00±1.41
|
4.60±0.50
|
87.04±0.42
|
18.88±0.74
|
|
Fibra
|
37.09±2.06
|
6.10±0.94
|
84.91±0.62
|
19.06±0.32
|
|
Cuesco
|
12.00± 1.08
|
3.00±1.27
|
83.45±0.68
|
20.09±0.43
|
En este estudio se realizaron ensayos de laboratorio para corroborar o contrastar los resultados obtenidos por Soh (2016a), el objetivo fue determinar si los valores obtenidos experimentalmente están dentro del rango necesario para una combustión eficiente.
Los valores obtenidos experimentalmente del porcentaje de cenizas 5,782 % para el cuesco y 9,886 % para la fibra son bajos y muy similares a los valores obtenidos por Soh (2016a), los cuales son: contenido de cenizas del cuesco 3 % y 6,10 % para la fibra.
Estos resultados se corroboran cuando se dice que el contenido de cenizas de la biomasa en calderas debe ser bajo, debido a que un alto contenido de cenizas disminuye el contenido calórico del combustible; como consecuencia, disminuye el rendimiento térmico de la caldera, ya que, se reduce la temperatura de combustión cuando la ceniza absorbe calor e interfiere entre el contacto del combustible y comburente (Gaona, 2014). Los valores obtenidos experimentalmente del poder calórico superior 20,23MJ/kg para el cuesco y 19,73 MJ/kg para la fibra, son valores altos y muy similares a los que se muestran en los estudios de Soh (2016a), los cuales son: 20,09MJ/kg para el cuesco y 19,06MJ/kg para la fibra. Por otro lado, el valor del contenido de humedad del cuesco cuyo valor es 19,621 %, difiere con el valor obtenido por Soh (2016a), cuyo valor para el cuesco es 12 %, dando una diferencia relativamente amplia entre el valor calculado y el valor referencial, sin embargo, los valores de humedad obtenidos en este estudio están dentro de los parámetros de humedad óptimos para la combustión de biomasa en calderos. Así, la humedad es un factor muy importante en la combustión de la biomasa, cuyo valor debe ser menor al 40 % (Soh, 2016b). Además, un elevado porcentaje de humedad minimiza la eficiencia en la combustión, esto debido a que el calor liberado es usado para la evaporación del agua y no es aprovechado para reducir químicamente el material en cuestión (Martínez, 2015). La densidad aparente del cuesco es 0,497g/cc y de la fibra es 0,0713 g/cc, los cuales son bajos.
Por lo tanto, los materiales que presentan una densidad aparente baja necesitan mayor volumen de almacenamiento y transporte, además, algunas veces presentan problemas para fluir por gravedad, lo cual complica el proceso de combustión y eleva los costos del proceso (Fortalecimiento de la Capacidad en Energía Renovable para América Central [FOCER], 2002, p. 11).
En lo que se refiere al análisis granulométrico, se determinó que existe mayor peso de cuesco retenido en el tamiz de 3/8”, esto quiere decir que el tamaño de esta muestra incidirá mayormente en las pruebas de fluidización, así como también en el proceso de combustión ya que el tamaño de la partícula afecta la combustión de la biomasa, por tanto, “es de vital importancia siempre reducir el tamaño de partícula para aumentar la superficie útil sobre las que se puedan dar las reacciones de oxidación” (Gaona, 2014, p. 12).
Al realizar las pruebas de fluidizado en el secador de lecho fluido, no se logró que el contacto entre el aire caliente y el combustible sea adecuado, es decir, que todas las partículas estén rodeadas por aire caliente, ya que, se detectaron masas de fibra que aparecían en la columna de aire, originando que no todas las partículas estén en contacto con el aire caliente, esto genera que no se complete el proceso de combustión y por ende un bajo aprovechamiento energético. Para mitigar este efecto se necesitaría una elevada turbulencia en la cámara de combustión y optimizar la distribución de aire de combustión a través de toberas de inyección dirigidas a las zonas con presencia de combustible y llama (Cigalat, 2012).
Conclusiones
· Los valores obtenidos en la caracterización química del cuesco y la fibra para determinar su potencial energético se encuentran dentro de los rangos reportados como óptimos para una combustión más eficiente en calderas de biomasa.
· Los valores obtenidos de la caracterización física del cuesco y la fibra permitieron determinar las condiciones necesarias para una combustión más eficiente en calderas de biomasa.
· Al realizar las pruebas de fluidizado no se logró obtener una mezcla uniforme del cuesco y la fibra, esto hace que el contacto entre el aire caliente y el combustible no sea adecuado y, por tanto, no se genere una combustión eficiente.
Referencias
Asociación Nacional de Cultivadores de Palma Africana. (2011). Estadísticas de la producción de palma africana en el Ecuador.https://issuu.com/ancupa/docs/palma_nov
Cigalat, E. (2012). Factores que afectan al rendimiento de una calera de combustión de biomasa.
Fortalecimiento de la Capacidad en Energía Renovable para América Central. (2002). Manual sobre energía renovable (biomasa). http://www2.congreso.gob.pe/sicr/cendocbib/con4_uibd.nsf/5EA2E564AF6F41D405257CC1005B2354/$FILE/Manuales_sobre_energ%C3%ADa_renovableBIOMASA.pdf
García, C., Saval, J., Baeza, F. y Tenza, A. (2009). Determinación de la granulometría de un árido. Universidad de Alicante - Prácticas de Materiales de Construcción I.T.O.P – Práctica Nº 3. (Curso 2.008 – 2.009). https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/10998/3/Pr%C3%A1ctica%20N%C2%BA%203%20_Granulometria%20I_.pdf
Gaona, D. (2014). Mezcla de cascarilla de nuez de palmiste y raquis como combustible alternativo para generación eléctrica (tesis de pregrado).Carrera de Ingeniería Química, Universidad Central, Quito, Ecuador
Heredia, M. (2017). Cuesco de palma africana, un nuevo combustible para uso comercial en Ecuador:análisis económico y evidencia experimental. Coordinación General del Sistema de Información Nacional – CGSIN. 10.13140/RG.2.2.19364.07042
Hewitt, P. G. (2009). Conceptos de física. Editorial Limusa S.A. de C.V.
Levenspiel, O. (1993). Flujo de fluidos e intercambio de calor. Oregon State University.
Martínez, A. (2015). Diferencia entre poder calorífico inferior y superior de la biomasa.
Ministerio de Comercio Exterior. (2017). Informe sobre el sector palmicultor ecuatoriano. https://www.produccion.gob.ec/wp-content/uploads/2019/06/informe-palma-espa%C3%B1ol-.pdf
Ocampo, A. (1994). La palma aceitera africana, un recurso de alto potencial para la producción animal en el trópico. Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación.
Soh, L. (2016a). The potential of the Malaysian oil palm biomass as a renewable energy source. Energy. Conversion and Management,141, 285-298. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.08.081
Soh, L. (2016b). Biocombustibles de segunda generación de la biomasa de palma de aceite. Palmas, 37(Especial Tomo II), pp. 137-148.
Toscano, L. y Barriga, A. (2009). Análisis de los parámetros y selección de hornos para la combustión de biomasa. Revista Tecnológica ESPOL, (oct.), 1-10. https://core.ac.uk/download/pdf/12391539.pdf
Van Dam, J. (2016). Subproductos de la palma de aceite como materias primas de biomasa. Palmas, 37(Especial Tomo II), pp. 149-156.
[Ecuación 1]
[Ecuación 2.]
[Ecuación 3]
[Ecuación 4]
