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Biomasa densificada, combustible para la obtención local de materiales de construcción




Enviado por Ivan Machado Lopez



    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.

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    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].

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    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.

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    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.

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    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.

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    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.

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    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].

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    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.

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    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.

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    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.

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    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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