Biomasa densificada, combustible para la obtención local de materiales de construcción
SÍNTESIS
El presente trabajo pretende exponer los resultados de
una investigación experimental con el objetivo de obtener
a partir de la energía aportada por la combustión
de recursos de biomasa locales materiales de construcción,
fundamentalmente ladrillos y la transformación
puzolánica del material arcilloso empleado inicialmente en
su función aglomerante de los residuos de biomasa,
conformados en forma de briquetas con la aplicación de
baja presión de compactación.
La investigación estuvo centrada en dos aspectos
fundamentales: uno la obtención de un conglomerado de
biomasa + material arcilloso aplicando diferentes factores
tecnológicos donde se precisa la influencia de las
propiedades del aglomerante, una segunda donde se estudia el
proceso de combustión del conglomerado determinando su
efecto sobre la obtención de ladrillos y la
transformación puzolánica de los
residuos.
En el trabajo se realiza la formulación o
acondicionamiento del conglomerado, a partir de residuos de la
industria de la madera, determinando el efecto sobre la
densificación de las propiedades de tres suelos con fases
arcillosas preponderantemente diferentes, caolinitica,
montmorillonitica e illita en cada caso.
En relación con la actividad o cohesividad del
material arcilloso se realiza la caracterización del
conglomerado, especificando propiedades físico –
mecánicas y físico químicas como calor
específico de combustión, rendimiento y
razón de combustión, la eficiencia como
biocombustible se determina en relación con la leña
en la obtención de ecomateriales.
Se estudian a su vez las condiciones en que ocurre la
combustión del conglomerado de modo que se propicie una
quema limpia y completa con un adecuado rendimiento en la
transformación puzolánica de la ceniza, para esto
se realiza la construcción de un horno experimental en
áreas de la Universidad Central Marta Abreu de Las Villas,
analizando el proceso en función del contenido de arcilla
en el conglomerado y el flujo de aire a través del
horno.
Se realizan un grupo importante de mediciones
experimentales (inquemados, CO, CO2,
temperatura, exceso de aire, etc.), lo cual permite asociar
diversos factores realizando la especificación,
estimación y validación de diferentes modelos que
correlacionan propiedades de los BSC, propiedades del material
arcilloso, factores tecnológicos del proceso de
fabricación y la obtención de la
transformación puzolánica de las
cenizas.
1-
Introducción:
La tendencia actual en la producción y consumo
del cemento está caracterizada por aspectos que permitan
obtener aglomerantes más económicos y con menor
impacto ambiental (Aitcin Pierre-Claude, 2000)[4], a criterio del
autor la aplicación creadora de nuevos paradigmas que
refuercen estas tendencias son ineludibles para lograr el
crecimiento sostenible de las comunidades.
Como una vía para mejorar el perfil
ecológico en la producción y empleo del cemento se
propone la adición del aglomerante cal-puzolana
[5-7](Martirena, 2003 b, Martínez, 2003, Dopico, 2009),
logrando por esta vía una significativa reducción
del contenido de clínker en hormigones, lo que contribuye
a una efectiva reducción de emisiones de CO2. Sin embargo
las condiciones para la obtención de puzolanas
artificiales procedentes de materiales arcillosos, sobre todo del
material usualmente empleado para fabricar ladrillos en Cuba, no
han sido aún suficientemente investigadas para lograr
aplicaciones en talleres locales de producción de
materiales de construcción.
La pequeña y mediana producción
descentralizada de ladrillos, aglomerantes puzolánicos
junto a la cal es realizada en muchos casos en condiciones que
ocurre la deforestación de grandes extensiones de bosques
[8](Betancourt, 2003). En ese sentido la reutilización de
desechos procedentes de la biomasa es una alternativa
ambientalmente compatible y acorde con las posibilidades
técnicas y económicas de los productores locales de
ecomateriales.
Este trabajo se concentra en el aserrín desecho
de la industria de la madera, identificado como biomasa
lignocelulósica dados sus componentes principales
[9, 10](Villegas, 2000, Shaw, 2008). El uso de la
biomasa como portador energético conlleva la
solución de varios problemas científico –
técnicos relacionados con su densificación y
conversión en combustibles con características
uniformes, el proceso disminuye los costos de
transportación, disminuye las capacidades necesarias para
el almacenaje, incrementa la densidad energética y las
propiedades combustibles propiamente [11-14].
La combustión de la biomasa en general y de la
madera y sus residuos en particular es un proceso complejo que
consiste en varias reacciones de los elementos químicos
constitutivos principales y un número importante de
reacciones intermedias que ocurren dependiendo de las condiciones
en el combustor. Con vistas a garantizar una buena
reacción de combustión, deben tenerse presente los
aspectos siguientes: [15-17].
? Preparación del combustible, en este trabajo se
aborda todo lo relacionado con la densificación del
aserrín como combustible sólido y las
características que le proporcionan desde el punto de
vista físico-mecánico y
físico-químico la baja presión aplicada y el
uso de material arcilloso como aglomerante.
? Características del horno, determinan la
interacción de la mezcla del combustible y el aire, el
factor o relación combustible – comburente
llamado coeficiente de exceso de aire toma para la
leña valores en el intervalo de 2 – 3,
este trabajo sin embargo no se propone realizar modificaciones a
los diseños de los hornos actuales.
La mayoría de las desventajas que tiene el uso de
la biomasa como combustible se derivan de su baja densidad
física y energética. La densificación de la
biomasa se puede definir como su compresión o
compactación, para disminuir los espacios vacíos
entre las partículas y dentro de las partículas
mismas. En esta etapa se realiza la discusión sobre los
aspectos que caracterizan los procesos de densificación de
la biomasa lo cual implica el uso de alguna forma de
presión mecánica para reducir su volumen y su
conversión a una forma sólida, compacta y lo
más homogénea posible, la cual es más
fácil de manejar, almacenar y transportar que el material
original.
Un aspecto conceptual reconocido por los especialistas
en el tema de la densificación es el que define el proceso
en relación al uso de baja o alta presión de
compactación y de que sea o no necesaria la adición
de aglomerantes externos, en función de esto se distinguen
según Erickson, (1990) los siguientes tipos de
densificación o briqueteado:
? Briqueteado de baja presión (<
5 MPa) con aglomerante externo.
? Briqueteado de media presión
(5-100 MPa). La adición de aglomerantes externos depende
del tipo de biomasa y de la prensa utilizada.
? Briqueteado de alta presión (>
100 MPa) sin aglomerante externo.
Ha sido determinado por diferentes investigadores la
interrelación existente entre la fuente de biomasa, la
presión aplicada, la adición de aglomerante, la
densidad, la resistencia, la durabilidad y algunas otras
propiedades de la briqueta tales como el poder calórico,
eficiencia en la combustión, temperatura de
combustión, capacidad de generar humos y su el nivel de
toxicidad, características de la ceniza generada, etc.
[18-21].
El análisis de la información demuestra
que el tema costos hace prácticamente inviable la
adquisición de los equipos de alta presión para los
pequeños y medianos productores de ecomateriales, estos
costosos equipos pueden estar en el mercado a precios entre 12000
y 40000 €.
Sin embargo los métodos manuales de
fabricación de briquetas pueden resultar más
apropiados para las poblaciones rurales y pequeños
productores locales, la briqueta fabricada con pequeñas
prensas manuales de baja presión se mantiene unida sobre
todo por la acción del material aglutinante. Suponiendo
una ventaja adicional ya que las arcillas pueden ser activadas
producto de los cambios de su estructura interna como resultado
de la acción del calor procedente de la
combustión de la biomasa [5, 22], como objetivo del
presente trabajo se investigan las condiciones en las que ocurre
la transformación puzolánica del residuo de la
combustión del conglomerado biomasa + material
arcilloso.
Es de considerar que el mecanismo de formación de
las cenizas procedentes de la biomasa no ha sido exhaustivamente
estudiado, quedando establecido que su formación depende
no solo de la calidad del combustible sino del diseño del
dispositivo combustor y las condiciones de combustión
(suficiente temperatura, flujo de aire, correcto mezclado y
tiempo de residencia) [18].
Por otro lado las propiedades aglomerantes de la arcilla
están directamente relacionadas con las
características estructurales de los cristales
pertenecientes al constituyente principal de la misma. Las redes
cristalinas se forman por el apilamiento de delgadísimas
láminas dispuestas paralelamente entre sí lo que
origina una estructura capaz de deslizarse en condiciones
adecuadas de humedad y permite desarrollar las propiedades
aglutinantes [23].
La adhesión sobre otros materiales es una
propiedad fundamental de las mezclas agua – arcilla de modo
de que si un cuerpo extraño se introduce en la mezcla este
queda envuelto y unido a las partículas de arcilla a
través de la película acuosa[24] estas propiedades
aglutinantes de las arcillas están directamente
relacionadas con el tipo de constituyente
predominante.
Se reportan experiencias en el procesamiento de
briquetas de biomasa con la adición de material arcilloso
como aglomerante [8, 25, 26], sin embargo no está
totalmente esclarecida la relación entre la función
aglomerante de la arcilla y algunas propiedades que adquiere el
conglomerado.
Se presenta como una adecuada alternativa el bloque
sólido combustible (BSC) [27]( este consiste en biomasa
densificada a partir de la aplicación de baja
presión de compactación, con la adición de
un aglomerante arcilloso y en este caso el reciclaje de desechos
de la industria del procesamiento de la madera, se persigue
transformar el material inicialmente suelto o disperso en un
elemento compacto de adecuadas características como
combustible sólido.
Es necesario estudiar las características del
material arcilloso en interés de su activación como
aglomerante y precursor puzolánico. En ese sentido se
plantea [28] que el tratamiento térmico de materiales
inorgánicos puede originar la formación de nuevas
fases en el estado sólido de forma cristalina o amorfa, lo
cual depende del tiempo y la temperatura a que es realizado el
proceso térmico, el control del proceso es importante para
favorecer la descomposición térmica de la materia
orgánica y al mismo tiempo la formación de
sílice amorfa.
En ese sentido la calidad puzolánica del material
resultante depende igualmente de la cantidad de oxígeno
actuante durante la combustión que puede favorecer o no
las micro porosidades y cantidad de carbón en el producto
final, estas condiciones a criterio del autor pueden
y deben ser controladas durante la combustión del BSC para
obtener el mayor rendimiento en la transformación
puzolánica de los materiales inorgánicos
procedentes de la arcilla. Se analizan algunos de los procesos
tecnológicos que permiten obtener diferentes puzolanas
artificiales siendo evidente que los materiales
puzolánicos se caracterizan por un alto contenido de
sílice (SiO 2O 3), oxido de
hierro (Fe 2O 3), alúmina
(Al 2) y un alto grado de
finura.
El código ASTM 618-92, expone "las puzolanas son
materiales silíceos o aluminosos que por sí mismos
poseen poco o ningún valor cementante, pero que finamente
divididos y en presencia de humedad, pueden reaccionar
químicamente con el hidróxido de calcio
(Ca(OH)2) a temperatura ambiente para
formar compuestos con propiedades cementantes". Resulta en este
sentido muy interesante la clasificación propuesta por
[29], donde señala a las arcillas activadas
térmicamente como puzolanas artificiales, las que
precisamente son objeto de estudio del presente
trabajo.
En el caso de los materiales arcillosos su
activación térmica produce cambios en el
área superficial específica y la relación
entre la fracción soluble (amorfa) y la cristalina. La
conexión resultante depende de la naturaleza inicial de
los materiales y de la temperatura de calentamiento la cual
provoca la extracción de las moléculas de agua
combinadas en su estructura interna, fenómeno conocido
como deshidroxilación o remoción de los OH proceso
que rompe o modifica de forma irreversible su red cristalina
formando una fase de transición cuasi-amorfa con alta
reactividad.
Diversos autores reportan como temperatura óptima
para obtener reactividad puzolánica en las arcillas los
valores entre 650–870°C [22], El efecto del tratamiento
térmico aplicado sobre el mineral depende entre otros
factores de las características mineralógicas del
material y la estructura atómica de sus cristales
así como las impurezas presentes y las condiciones reales
que se establecen en el dispositivo de termo conversión
con lo cual se puede favorecer la ocurrencia de determinadas
reacciones[16].
Consecuentemente a criterio de los autores el proceso de
modificación estructural de las arcillas reactivas
procedentes del BSC (ARPBSC), por la acción del calor que
se produce durante la combustión de la biomasa en las
condiciones de un horno, puede depender de las propiedades
físico mecánicas y químicas del
conglomerado, la composición químico – estructural
de los minerales arcillosos y la interacción flujo de aire
– combustible que provoca cambios en la atmósfera del
horno, la temperatura y las propiedades de la ceniza.
2-
Formulación de los BSC.
El bloque sólido combustible consiste en un
objeto o conglomerado de biomasa densificada, aserrín en
este caso, empleando además material arcilloso como
aglomerante que posibilita el empleo de baja presión
para lograr adecuadas propiedades para su transportación y
almacenaje, además se requieren cualidades como
combustible y potencial productor de cenizas
puzolánicas.
Se prevé la obtención de los BSC con
características y en condiciones tales que sea posible
ejecutar la densificación al utilizar un equipamiento
manual, de modo que los costos de la inversión inicial
sean los mínimos, al alcance de las economías de
los pequeños productores de ecomateriales.
La densificación de residuos proveniente de la
biomasa es una opción atractiva para valorizar y mejorar
las propiedades de muchos desechos, pues se disminuyen los costos
de su manejo (transporte, almacenaje, etc.) y se mejora el poder
calorífico volumétrico. [14, 30]. Sin embargo los
estudios sobre la densificación de los desechos
agroindustriales, como una disciplina científica,
todavía está siendo desarrollada y hasta ahora, en
muchos casos, no tienen métodos exactos [21].
Sobre esta base el objetivo principal de este estudio es
evaluar el efecto que produce el material arcilloso
añadido como aglomerante en las propiedades de calidad de
las briquetas mediante la valoración de la densidad, la
estabilidad dimensional, la resistencia y las propiedades
combustibles, utilizando un dispositivo que permite aplicar una
baja presión en el entorno de hasta 5 MPa Determinar
así mismo los modelos matemáticos necesarios para
describir la relación entre los diferentes factores
estadísticamente influyentes.
El material arcilloso se propone como aglomerante pues
resulta un material de relativa fácil adquisición y
económico, se realiza la evaluación del material
arcilloso procedente de diferentes fuentes y la influencia de sus
propiedades sobre el proceso de densificación.
2.1- Caracterización de las materias
primas:
La industria de la madera aserrada en Cuba produce
aproximadamente 70.000 m³ de residuos anuales [31], estos
residuos son utilizados irregularmente por la industria
avícola y porcina pero en muchos casos no tienen una
aplicación concreta bien definida y muchas veces son
incinerados sin que el calor generado sea racionalmente
utilizado[2].
Los estudios previos realizados en la provincia de Villa
Clara para determinar la disponibilidad de residuos provenientes
del tratamiento de la madera se identifican claramente como
fuente mayoritaria de suministro de materia prima los aserraderos
que aportan más del 75% del aserrín generado en la
región[3], el resto es aportado por talleres y
carpinterías locales, se han localizado importantes
fuentes de aserrín y de arcilla como se muestran en la
figura 1.
2.1.1- Aserrín, análisis químico
– físicos y térmicos:
Desde el punto de vista del análisis de la
composición química del material que ha de ser
densificado para convertirse en combustible resulta importante
determinar la existencia de elementos peligrosos para la salud
humana ó que puedan formar compuestos dañinos al
medio ambiente; La existencia de algunos de estos elementos
está fuertemente restringida para la fabricación de
briquetas combustible según algunas normativas
consultadas.
Figura 1 Locaciones donde se concentran
reservas de aserrín y afloramientos de arcilla. Fuente:
[2, 3]
Se colectan muestras aleatoriamente en las instalaciones
de procesamiento de la madera Jesús López
Carmiño y Crescencio Valdés de la ciudad de Santa
Clara y Manicaragua respectivamente.
En la tabla 1 se muestran los resultados del
análisis de la distribución del tamaño de
las partículas del aserrín colectado aleatoriamente
así como la composición química del mismo,
se determina que la mayor fracción de partículas
está por debajo de los 2.5 milímetros, donde se
encuentra más del 85% del material analizado lo cual
favorece el proceso de densificación con la
aplicación de bajas presiones.
El análisis químico determina la no
existencia de trazas de metales pesados u otros elementos que
podrán ser perjudiciales al ambiente durante el proceso de
combustión de la biomasa. La existencia de algunos de
estos elementos está fuertemente restringida para la
fabricación de briquetas combustibles según algunas
normativas consultadas[32].
Se realiza la caracterización química en
términos de análisis próximo y elemental
destacando el alto contenido de volátiles, sobre el 80%.
El valor calórico determinado (18.67 / 17.9 MJ/kg) se
corresponde con valores descritos en la literatura consultada
[13, 33, 34].
En la tabla 2 se exponen los resultados del
análisis elemental realizado al aserrín procedente
de la fuente de estudio, es de destacar el alto contenido de
volátiles, sobre el 80%, el contenido de cenizas resulta
bajo en comparación con otros combustibles sólidos
como la turba el lignito o carbones bituminosos.
El calor específico de combustión (CEC) es
un parámetro que distingue a las diferentes sustancias
empleadas como combustible, para el caso de la biomasa existen
muy diversos materiales procedentes de la actividad
agrícola, forestal ó inclusive los residuos
sólidos urbanos (RSU) de los cuales es posible obtener
reportes en la literatura internacional sobre su
evaluación como potenciales combustibles.
Por ejemplo para la paja de trigo y la paja de arroz se
reporta la obtención de entre 18.7 – 19.3 MJ/kg
[38]. Para el aserrín, la paja de caña y el bagazo
de caña se reportan valores entre 15 –
20 MJ/Kg [33, 39, 40], para maderas como el sauce ó el
pino se reportan valores entre 17 – 18.3 [17], en general
estos valores están determinados por la humedad existente
en el material y el mayor ó menor contenido de
lignina.
El calor especifico de combustión en el
aserrín colectado para este trabajo tiene un valor
promedio de 18.15 MJ/Kg. calculado sobre la base de los
análisis químicos y la correlación propuesta
[41], para verificar estos cálculos se realiza
adicionalmente el análisis térmico mediante el
calorímetro C5003 IKA-WERKE para determinar el CEC
obteniendo un valor de 17.91 MJ/Kg. que aunque algo menor
ratifica la valides de la correlación empleada
Se realiza adicionalmente el ensayo por
Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) del
aserrín, este análisis térmico permite
obtener un medida de los cambios físicos o químicos
que ocurren en función de la temperatura mientras la
muestra se calienta con un programa de temperaturas controlado
mediante el calorímetro Mettler-Toledo DSC822 en
atmósfera dinámica de oxígeno (50 ml/min)
con rango de temperaturas de 25 -1.000ºC a una velocidad de
10ºC/min.
Como se puede observar en la figura 2, el DSC
proporciona una curva que indica el intervalo óptimo de
temperaturas en el que se podrá aprovechar
energéticamente el recurso. La curva DSC obtenida se puede
dividir en dos fases:
Una primera etapa endotérmica que alcanza hasta
los 130ºC, asociada al secado del agua presente en el
aserrín, cantidad muy pequeña ya que no se aprecia
apenas esta zona de la curva.
Una segunda fase exotérmica, en la que
tendría lugar la combustión de los diferentes
constituyentes del material y que sería la zona de
óptimo aprovechamiento energético del
aserrín y que termina según los resultados
de DSC en el entorno de los 500 0C.
Figura 2. Curva DSC obtenida para el
aserrín. Fuente: [1].
2.1.2- Material arcilloso;
El material arcilloso está constituido
predominantemente, por un grupo de sustancias cristalinas
denominadas minerales de la arcilla, y que son, en esencia,
silicatos de aluminio hidratados. La palabra arcilla se emplea
con referencia a un material de grano fino, terroso, que se hace
plástico al ser mezclado con agua.
El material arcilloso se propone como aglomerante para
la fabricación de los bloques sólidos combustibles
pues resulta económico su manejo en el entorno de la
industria de los ecomateriales que a su vez son los principales
clientes para el uso de este portador energético en la
producción artesanal de materiales de construcción
como los ladrillos, la cal ó la obtención de
material cementante a partir de la activación
térmica de la arcilla.
Las arcillolitas son rocas sedimentarias que representan
el resultado de los procesos de meteorización y
erosión que han actuado sobre materiales preexistentes y
se caracterizan por la disposición geométrica
regular en capas planas separadas entre sí por diversos
elementos químicos. En general, las arcillas ricas en
sílice, hierro e hidróxidos (esmectitas, cloritas,
vermiculitas y sus interestratificados), son mucho más
reactivas que las arcillas, constituidas solamente por
alúmino-silicatos pobres en hierro e hidróxidos
(caolinita e illitas), [42].
La caracterización de los materiales arcillosos
implica la realización de estudios para determinar sus
propiedades físicas, químicas y composición
mineralógica (DRx).
Se evalúan materiales arcillosos procedentes de
afloramientos de diversas localidades, a saber de Manicaragua
(MAM), Falcón (MFM), ambos en la región central de
Villa Clara, Cuba y de la región de Oviedo (MOM) en
Asturias, España.
Estos materiales arcillosos han sido seleccionados
atendiendo primeramente a su cercanía con respecto a los
centros de procesamiento de madera y de producción de
ecomateriales pues las exigencias de la producción en
condiciones locales imponen una impronta del tipo
económica minimizando los recursos para su acarreo, en
segundo lugar se tiene en cuenta la cercanía con respecto
a los centros de investigación involucrados en el trabajo,
y además lo que es no menos importante se consideran sus
diversas propiedades físico – químicas que
permiten evaluar su influencia sobre las propiedades del material
densificado.
2.1.2.1 Análisis químico, propiedades
físicas y composición
mineralógica.
En la tabla 3 se muestran los resultados de la
evaluación de la composición química
realizada a los materiales arcillosos objetos de estudio. El
análisis de de la composición química de los
materiales arcillosos evaluados brinda como resultado que la suma
en peso de los óxidos principales (SiO2, Al
2 O3, Fe2 O3) supera en todos
los casos el 70 % lo que puede favorecer su potencial
activación térmica.
En la tabla 4 se muestran los resultados de la
evaluación de diversas propiedades físicas que
caracterizan a los materiales arcillosos objeto de estudio, entre
ellas la refractoriedad, la plasticidad, la actividad y la
composición mineralógica, encontrándose que
los tres materiales tienen composición mineralógica
diferente y en consecuencia una actividad diferente.
Los niveles de refractoriedad, entre 850 – 1000
OC, no resultan excesivamente altos, por
consiguiente a criterio del autor de este trabajo su
aplicación como aglomerante no debe establecer mayores
dificultades para la combustión.
Para determinar la plasticidad y otras propiedades
físicas de los materiales arcillosos se utiliza el
método indirecto o método de Atterberg, siguiendo
la norma ASTM D 4318, en la cual se considera una pasta de
arcilla y agua que se seca progresivamente pasando del estado
líquido al plástico y finalmente al
sólido
El material con mayor plasticidad y mayor actividad de
los estudiados resulta el de Manicaragua, con una
composición predominantemente montmorillonitica puede
estar próximo a las conocidas buenas propiedades como
aglomerantes de las bentonitas [24, 43](Duitama,2004,
Serrucha,2005 ), estas estructuras permiten que el agua penetre
entre las láminas tetraédricas y octaédricas
a través de los enlaces de hidrógeno que los
caracterizan lo cual determina una expansión de la celda
cristalográfica y explica su alto índice de
plasticidad.
En la figura 3 se muestra el resultado del
análisis de DRx realisado al material arcilloso procedente
de Manicaragua identificándose de acuerdo a las
principales fases mineralógicas encontradas como un
material predominantemente montmorillonitico del grupo de los
minerales expandibles ó esmectitas.
La composición mineralógica de las
muestras de otras procedencias que son utilizados en el
desarrollo del presente estudio se identifican del siguiente
modo, el material arcilloso de Oviedo como una estructura
predominantemente caolinita del grupo de las kanditas [37] el
material arcilloso procedente de la municipalidad de
Falcón como una estructura predominantemente del tipo
illita del grupo de las micas [26].
Figura 3 Resultados del análisis de DRx. Material
arcilloso con estructura predominantemente montmorillonitica.
Fuente: Quennoz, 2006. Empresa Geo-Minera de Villa Clara,
Laboratorio Isaac del Corral Ciudad de la Habana.
3- Densidad del
bloque sólido combustible.
Una importante característica del sólido
combustible es su densidad, mayor densidad reporta ventajas desde
el punto de vista técnico económico para su manejo
y desde el punto de vista energético [14, 44]. En este
acápite se realiza el análisis de los resultados
correspondientes a la densidad relajada ó seca (DR
conocida en inglés como relaxation density).
La densidad de las briquetas es calculada a partir de
las mediciones promedio de sus dimensiones y de su peso
(diámetro y altura con Pie de Rey y la masa con balanza
electrónica digital de precisión 0.001 grs) Para la
investigación de la densidad de las briquetas se han
utilizado las recomendaciones de la norma ASAE S269.4.
DEC
La densidad final de las briquetas depende de diversos
factores entre ellos la relación entre la magnitud de la
compresión y el distensionamiento ó relajamiento
del material, las propias características del proceso de
aglomeración (presión, tiempo, naturaleza del
aglomerante y su contenido porcentual, etc.) y las propiedades
físicas del material biomásico, la
comprensión de estos factores es esencial en el estudio de
la densificación de las briquetas y la predicción
de su comportamiento como combustible en la aplicación
correspondiente ó en un horno dado
El procedimiento y análisis experimental
planteado permite generar y describir la información de
manera organizada para evaluar las características del
material densificado como alternativa energética para la
producción de materiales de construcción. En la
tabla 5 se muestran los factores y niveles considerados para la
evaluación inicial de la influencia del contenido de
aglomerante arcilloso procedente de la localidad Manicaragua
junto con los demás factores evaluados.
Las normativas para las briquetas industriales de alta
densidad establecen un valor mínimo de
densidad en el entorno de 1 – 1.4 g. / cm3. Sin embargo
diferentes reportes evalúan la densidad relajada (DR) de
las briquetas fabricadas con la aplicación de baja
ó moderada presión y la adición de
diferentes aglomerantes en el intervalo de 0. 2 – 0.7 g./
cm3.
De igual modo briquetas fabricadas con paja de
caña alcanzan una densidad de 0.540 g./ cm3
[26], por otro lado se reporta la obtención de briquetas
fabricadas con tallos de la yuca con valores de densidad de entre
0.4 – 0.7 g./ cm3 [45], para desechos del tratamiento de la
madera se reportan valores de densidad para las briquetas de 0.5
– 0.6 g./ cm3 [46] .
Teniendo en cuenta los amplios límites que la
densidad puede adoptar en función de diversos factores se
establece como límite de aceptación en cuanto a la
densidad relajada (DR) para las briquetas ensayadas en este
trabajo el valor de 0.450 g./ cm3.
Se emplean los métodos de análisis de
asociación entre las variables para establecer la
relación funcional en forma matemática, El objetivo
principal en este caso es estimar los parámetros de los
modelos matemáticos que permiten relacionar la densidad
con los diferentes factores sobre la base de los resultados de
las unidades muestrales evaluadas. Se define esta relación
a partir de aplicar el nivel de significación más
alto posible y se establece la simplificación de los
modelos al extraer de los análisis los factores que
resultan estadísticamente no significativos.
Los resultados del análisis de regresión
lineal múltiple para la variable densidad donde se
determina la relación con los diferentes factores
(Humedad. Presión, tiempo y Aglomerante) para un nivel de
confianza estimado entre el 99% y el 90% como mínimo,
quedando establecido que en este caso para la densidad
según las restricciones impuestas solo resultan
significativos las variables presión y contenido de
aglomerante.
El modelo ajustado que permite predecir los valores de
densidad (g / cm3) dadas las condiciones especificadas para la
fabricación de los bloques sólidos combustibles es
el siguiente
DR = 0,59525+0,02025*Pr+ 0,023*% Aglom. R2 = 95.8 % [1]
Donde: Pr = presión en MPa; % Aglom = contenido porcentual
de aglomerante arcilloso en la briqueta
La ecuación [1] de regresión lineal del
tipo Y = ß0 + ß1 X1 + ß2 X2 describe con
claridad y precisión la relación entre los factores
densidad, presión y contenido de aglomerantes El modelo
matemático investigado se corresponde con los
conocimientos teóricos del proceso, la densidad esta en
relación directa con el contenido de aglomerante y con la
presión aplicada siendo no estadísticamente
significativas la influencia de los factores tiempo de
retención de la biomasa en el dado y cantidad
de agua añadida. Es de señalar que la
obtención de este modelo ha sido realizada a partir de un
material arcilloso de características montmorilloniticas
con una actividad relativamente alta.
En el grafico de barras que se muestra en la figura 4 se
identifican los valores promedio de la densidad (DR) de las
muestras fabricadas según los tratamientos definidos por
la relación entre los factores y los niveles involucrados.
El valor promedio de densidad encontrado es 0.596
grs. / cm.3.
Figura 4. Valores promedio de la densidad
relajada
3.1- Relación densidad (DR) y propiedades del
aglomerante.
Las propiedades del material arcilloso que se han
definido a partir del análisis bibliográfico
realizado como potencialmente significativas para las cualidades
del residuo biomásico densificado es la
organización estructural de los filo alumino – silicatos
que conforman el material arcilloso, así como la
plasticidad y la actividad [43, 47], estas propiedades por
supuesto se relacionan entre sí para otorgarle a la
arcilla mayores ó menores propiedades
aglomerantes.
El análisis estadístico de las unidades
muéstrales elaboradas con materiales arcillosos de
diferentes yacimientos y con índice de plasticidad entre
los valores del 42.5 % y el 18 % ha demostrado que para un 95 %
del nivel de confianza existen diferencias significativas entre
los valores de densidad promedios de las unidades muestrales
fabricadas con el material arcilloso proveniente de cada uno de
los respectivos yacimientos lo cual puede estar en
relación con el índice de plasticidad y la
actividad de las muestras colectadas en cada fuente ó
yacimiento.
En la figura 5 se muestra un resumen con la densidad
promedio que alcanzan las briquetas fabricadas con aglomerantes
de diferentes propiedades, se corrobora la regularidad encontrada
anteriormente donde la densidad está en relación
directa con el contenido de aglomerante y la presión
aplicada, en este caso lo interesante resulta que un grupo de
muestras no alcanza el límite de densidad trazado
como criterio de aceptación, precisamente las
muestras que no cumplen el requisito son las fabricadas con el
material arcilloso que posee mayor contenido de mineral
caolinitico en su composición lo que está
directamente relacionado con su menor actividad, no obstante se
demuestra que es posible densificar de igual modo residuos de
biomasa con el empleo de este material arcilloso si las muestras
son fabricadas con mayor contenido de aglomerante y mayor
presión.
La diferencia en la densidad entre briquetas fabricadas
con un aglomerante y otro puede deberse al diferente poder
cohesivo de los diferentes materiales arcillosos empleados lo que
conduce a variaciones en el diámetro y la altura de las
briquetas
Una vez considerada la evidencia de que existe
relación entre las propiedades del material arcilloso y su
potencial para ser empleado en los procesos de
densificación con baja presión es posible
determinar matemáticamente una relación funcional
que permita predecir el comportamiento de la densidad atendiendo
al efecto de las variables ó factores definidas en el
diseño de experimento, presión, contenido
porcentual de aglomerante y la relación con las
propiedades físico mineralógicas del material
representadas por la actividad que lo
caracteriza.
Figura 5 Densidad (DR) en función de
la presión aplicada y el contenido en por ciento de
aglomerante y sus propiedades
Para la mejor comprensión de la evaluación
del efecto de las características físicas del
aglomerante se ha determinado la ecuación de
regresión múltiple que describe la relación
entre la densidad y los factores acotados, la que adopta la forma
siguiente:
Densidad (DR) = 0,504333 + 0,0282778*Pr +
0,0383889*%Aglom + 0,1015*Act [2]
Donde: Pr = Presión (MPa); % Aglo = Contenido en
por ciento de material arcilloso añadido;
Act = % Plasticidad / % de material arcilloso con
dimensión inferior a 0.002 mm
R2 = 92 % para un nivel de significación superior
al 95%
Los resultados demuestran que en el caso de la
densificación del aserrín bajo la aplicación
de bajas presiones (hasta 5 MPa) el resultado del proceso visto a
través de los valores de densidad está altamente
influenciado por el papel en primer lugar del material arcilloso
añadido como aglomerante y sus propiedades físicas.
Dadas las premisas planteadas para la obtención de los
objetos sólidos combustibles resultan menos apropiadas
para lograr su estabilidad los materiales arcillosos de menor
actividad, la mayor densidad puede estar favorecida por una mayor
capacidad de absorción de agua y poder cohesivo del
material arcilloso.
Los resultados graficados y el análisis
estadístico matemático demuestran que los bloques
sólidos combustibles densificados con el uso de material
arcilloso de diversas características pueden resultar de
una densidad significativamente diferentes lo cual es consistente
desde el punto de vista teórico dadas las
características físicas, químicas y
mineralógicas propias de los materiales
estudiados.
Queda establecido de este modo que el material arcilloso
usualmente empleado para la fabricación de
artículos cerámicos (ladrillos y otros) puede ser
un buen material aglomerante para convertir en un sólido
las partículas sueltas de aserrín sometidas a baja
presión de compactación.
4-
Resistencia.
Algunas de las normativas referenciadas para la
producción de peles y briquetas acotan los valores de
durabilidad de los combustibles sólidos provenientes de la
densificación de biomasa a partir de diversos criterios
sobre ensayos mecánicos que permiten evaluar por un
procedimiento u otro las pérdidas que se producen en la
masa del elemento antes y después del ensayo realizado,
por ejemplo la norma CS 9 (Biocombustibili solidi
Caratterizzazione del pellet a fini energetici) clasifica
los elementos de acuerdo a la durabilidad en tres grupos, a saber
DU 97.7 con pérdidas en el peso inferiores al
2.3%, DU 95 con pérdidas inferiores al 90 95
% y de igual modo clasifica el DU 90, otras normativas aplican un
procedimiento análogo de clasificación.
Las propiedades mecánicas (resistencia a
compresión, abrasión e impacto) de los llamados bio
combustibles están directamente relacionados con su
durabilidad y las posibilidades de ser manipulados y almacenados
con seguridad con un mínimo de perdidas, normativas como
ASAE S269 ó ONORM M7135 "Solid Biofuels –
Methods for the determination of mechanical durability of pellets
and briquettes establecen los métodos para evaluar
estas características pero están referidas a
combustibles sólidos como la hulla ó el
carbón mineral y para briquetas de alta densidad
fabricadas con procesos de altas presiones [12, 48].
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