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Estudio comparativo de Bloques Sólidos Combustibles y maderas en la obtención de Eco-materiales (página 2)



Partes: 1, 2

I.1 FUENTES DE
BIOMASA, CARACTERÍSTICAS ENERGÉTICAS Y SUS
APLICACIONES

Según un análisis realizado sobre el potencial de
las fuentes alternativas de energía en Cuba en el
año 1991, por la Comisión Nacional de
Energía, se consideran como fuentes alternativas de
energía, renovables o no: la paja de arroz, el gas natural o
acompañante, los residuos pecuarios, industriales y
urbanos, las energías hidráulicas, solar y
eólica, la turba, la asfaltita y las rocas y arenas
bituminosas, las astillas de madera y los
desperdicios de los bosques.

Según este informe las
fuentes alternativas constituían más del 30% de la
energía total consumida en el país, además
se producían anualmente 2.5 millones de metros
cúbicos estéreos (no compactados) de leña
con un rendimiento por hectárea de unos 60 m3.
(Comisión Nacional de Energía 1991)
(6)

El reto hoy en Cuba es lograr una mayor independencia
energética mediante la utilización de todas las
fuentes nacionales de energía, según se expresa en
el Programa de
Desarrollo de
las Fuentes Nacionales de Energía del Gobierno
Revolucionario.(Organización de las Naciones Unidas
para la Agricultura y
la Alimentación 2004) (22)

Algunos autores plantean que los países en
desarrollo deben abastecerse de aquella energía de
más fácil utilización, acorde con su
desarrollo cultural y técnico como es la
hidráulica, la biomasa, las energías renovables y
los combustibles fósiles, dejando la energía que
requiere un mayor desarrollo estructural, técnico y de
conocimientos como la nuclear, para los países más
desarrollados. (Díaz Río. Junio 1999) (12).
Este planteamiento puede ser cierto en muchos casos, pero lo
más importante es que sí se debe considerar en
todos los casos el uso de las energías renovables como una
importante alternativa.

Es prioritario el desarrollo y utilización de las
energías renovables como medio de suministrar
energía comercial para variados usos, y deben apoyarse
fundamentalmente en los proyectos de
energía
solar, biomasa, eólica y minicentrales. No cabe duda
que estas fuentes de energía pueden obtener una mayor
relevancia en la producción y consumo de
energía local.

El actual estilo de vida
adoptado en el mundo desarrollado parece estar en
contradicción con una buena práctica de la
conservación de la energía. Este mundo
desarrollado, que representa el 20% de la población mundial, consume el 80% de la
energía. Esta situación debe ser modificada si
queremos llegar a un equilibrio
político y económico.

I.1.1 La biomasa

La utilización de la biomasa por el hombre es
tan antigua como el descubrimiento y el empleo del
fuego para calentarse y preparar los alimentos.
Aún hoy, la biomasa es la principal fuente de
energía para usos domésticos empleada por
más de 2.000 millones de personas en el Tercer
Mundo.

La biomasa, sustancia orgánica renovable de
origen animal o vegetal (Sebastián F., Royo
J.,

2002) (28), ha sido la fuente
energética más importante para la humanidad desde
su nacimiento, en ella se ha basado la actividad de los hombres
tanto doméstica como manufacturera hasta el inicio mismo
de la revolución
industrial.

Con el uso masivo de combustibles fósiles el
aprovechamiento energético de la biomasa fue disminuyendo
progresivamente y en la actualidad presenta en el mundo un
reparto muy desigual como fuente de energía
primaria.

No obstante, en los últimos años el
panorama energético mundial ha variado notablemente. El
elevado coste de los combustibles fósiles y los avances
técnicos que han posibilitado la aparición de
sistemas de
aprovechamiento energético de la biomasa cada vez
más eficientes, fiables y limpios, han causado que esta
fuente de energía renovable se empiece a considerar por
las industrias como
una alternativa, total o parcial, a los combustibles
fósiles.

En los países desarrollados la biomasa es la
energía renovable más extendida y que más se
está potenciando, en multitud de países en
vías de desarrollo es la principal fuente de
energía primaria lo que provoca sin embargo, en muchos
casos, problemas
medioambientales como la deforestación, desertización,
reducción de la biodiversidad,
etc. producidos por una explotación no adecuada del
recurso.

La energía de la biomasa proviene en
última instancia del sol. Mediante la fotosíntesis el reino vegetal absorbe y
almacena una parte de la energía solar que llega a
la tierra; las
células
vegetales utilizan la radiación
solar para formar sustancias orgánicas a partir de
sustancias simples y del CO2 presente en el aire. El reino
animal incorpora, transforma y modifica dicha energía. En
este proceso de
transformación de la materia
orgánica se generan subproductos que no tienen valor para la
cadena nutritiva o no sirven para la fabricación de
productos de
mercado, pero que
pueden utilizarse como combustible en diferentes aprovechamientos
energéticos. (Sebastián F., Royo J., 2002)
(28)

Figura 1.
Fuentes de biomasa

I.1.2 Tipos de biomasa

Existen diferentes tipos o fuentes de biomasa que pueden
ser utilizados para suministrar la demanda de
energía de una instalación, una de las
clasificaciones más generalmente aceptada es la siguiente.
(Energía de la Biomasa. Agosto 2001)
(15).

  • Biomasa natural: es la que se
    produce espontáneamente en la naturaleza
    sin ningún tipo de intervención humana. Los
    recursos
    generados en las podas naturales de un bosque constituyen un
    ejemplo de este tipo de biomasa. La utilización de estos
    recursos requiere de la gestión de su adquisición y
    transporte
    hasta la empresa lo
    que puede provocar que su uso sea inviable
    económicamente.
  • Biomasa residual seca: se incluyen
    en este grupo los
    subproductos sólidos no utilizados en las actividades
    agrícolas, en las forestales y en los procesos de
    las industrias agroalimentarias y de transformación de
    la madera y que, por tanto, son considerados residuos. Este es
    el grupo que en la actualidad presenta un mayor interés
    desde el punto de vista del aprovechamiento industrial. Algunos
    ejemplos de este tipo de biomasa son la cáscara de
    almendra, el orujillo, las podas de frutales, el
    aserrín, etc.
  • Biomasa residual húmeda: son
    los vertidos denominados biodegradables: las aguas residuales
    urbanas e industriales y los residuos ganaderos (principalmente
    purines).
  • Cultivos energéticos: son
    cultivos realizados con la única finalidad de producir
    biomasa transformable en combustible. Algunos ejemplos son el
    cardo (cynara cardunculus), el girasol cuando se destina a la
    producción de biocarburantes, etc.
  • Biocarburantes: aunque su origen se
    encuentra en la transformación tanto de la biomasa
    residual húmeda (por ejemplo reciclado de aceites) como
    de la biomasa residual seca rica en azúcares (trigo,
    maíz,
    etc.) o en los cultivos energéticos (colza, girasol,
    pataca, etc.), por sus especiales características y usos
    finales, este tipo de biomasa exige una clasificación
    distinta de las anteriores.

I.1.3 Características
energéticas de la biomasa

En muchas ocasiones, la biomasa se elimina por ser
molesta para la instalación que la produce o porque
entorpece las labores agrarias o ganaderas que la generan. Cuando
esto ocurre, se está desperdiciando una fuente de
energía importante, basta recordar que considerando que,
por término medio, un kilogramo de biomasa permite obtener
3.500 kcal y que un litro de gasolina tiene aproximadamente
10.000 kcal, por cada tres kilogramos que desperdiciamos de
biomasa, se desaprovecha el equivalente a un litro de
gasolina.

Habitualmente, el contenido energético de la
biomasa se mide en función
del poder calorífico del recurso, aunque para algunos
de ellos, como es el caso de la biomasa residual húmeda o
de los biocarburantes, se determina en función del poder
calorífico del producto
energético obtenido en su tratamiento. La Tabla 1 recoge
el poder calorífico superior y el poder calorífico
inferior a distintos contenidos de humedad de algunos de los
recursos de biomasa más habituales.

Tabla 1: Poder calórico de
diferentes biomasas

 

P.C. a humedad x (KJ/Kg)

PRODUCTO

X

P.C.S.

x

P.C.I.

x

P.C.I.

Leñas y ramas

0

19.353

20

15.006

40

10.659

Aserrines y virutas

0

19.069

15

15.842

35

11.537

Orujillo de oliva

0

18.839

15

15.800

35

11.746

Cáscara de almendra

0

18.559

10

16.469

15

15.424

Cortezas (Coníferas)

0

19.437

20

15.257

40

11.077

Cortezas (Frondosas)

0

18.225

20

14.087

40

9.948

Poda de frutales

0

17.890

20

13.836

40

9.781

Paja de cereales

0

17.138

10

15.173

20

13.209

Vid (Sarmientos)

0

17.765

20

13.710

40

9.656

Vid (Ramilla de uva)

0

17.263

25

12.331

50

7.399

Vid (Orujo de uva)

0

18.894

25

13.543

50

8.193

Calor específico de combustión, calor de combustión,
valor calórico, o potencia
calórica es la cantidad de calor que se desprende, cuando
ocurre la combustión completa de la unidad masa y se
expresa en kJ/kg en el caso de los combustibles sólidos y
líquidos, si en condiciones de laboratorio se
determina la totalidad del calor específico de
combustión hasta enfriar los productos hasta la temperatura
ambiente se
obtendrá el llamado calor específico de
combustión superior (Roque Díaz Pablo 1990)
(26).

Una de las formas más comunes para la
obtención de energía de la biomasa es la
combustión directa, la combustión de un combustible
es el proceso Físico-Químico Complejo, durante el
cual los componentes quemables se combinan con el oxígeno
liberando una determinada cantidad de calor. Para que la
combustión se produzca en todo el volumen debe
existir además del oxígeno (puro o del aire) una
temperatura de autoignición pues de lo contrario la llama
se extingue y se detiene el proceso de
combustión.

Una gran importancia en el proceso de combustión
tiene también la mezcla obtenida entre el combustible y el
oxidante (comburente), así como el tipo de combustible ya
que cada uno de ellos está caracterizado por su forma de
combustión lo que determina el tiempo en que
este proceso transcurre.

Por todo lo anterior se puede concluir que para que se
produzca la combustión debe existir además de
combustible y oxidante, lo que se conoce como las tres T
de la combustión que son: temperatura, turbulencia y
tiempo
. En calidad de
oxidante generalmente se utiliza el aire atmosférico
(Steverson, E. M., Semler, T. T. and Goldsberry, J. A 1985)
(30).

I.1.4 Instalaciones donde es posible
utilizar la biomasa

Como se ha visto hasta ahora, multitud de recursos
quedan agrupados bajo el término genérico biomasa.
Esta enorme variedad unida a la capacidad de adaptación de
las tecnologías de aprovechamiento energético a los
diferentes recursos existentes, causan que, en la actualidad,
muchas de las actividades industriales podrían satisfacer
toda o parte de su demanda energética con
biomasa.

No obstante, para poder utilizar esta energía
renovable es necesario cumplir dos condiciones:

1.- Disponer de una fuente de biomasa cercana a precios
razonables.

Las empresas que
disponen en sus propias instalaciones de biomasa residual son las
que, con mayor facilidad, pueden plantearse la posibilidad de un
aprovechamiento energético puesto que se suele tratar de
unos recursos con valor de mercado muy bajo, pudiendo suponer
incluso un coste el deshacerse de ellos.

En varios países las empresas que no disponen de
biomasa residual propia pueden adquirir ésta en el
mercado. Aunque todavía no del todo desarrolladas, ya
existen cadenas de distribución de estos recursos que permiten
adquirirlos a un coste enormemente competitivo frente a los
tradicionales.

2.- Tener unos consumos energéticos suficientes
para que la instalación sea rentable.

Mientras que para el aprovechamiento de algunos tipos de
biomasa en la generación de energía térmica
cualquier tamaño de instalación suele ser rentable,
en el caso de producción de energía
eléctrica o mecánica son necesarios unos consumos mucho
más elevados.

Aplicaciones energéticas.

Con biomasa se puede generar energía
térmica (agua o aire
caliente, vapor, etc.), energía eléctrica e incluso
mecánica mediante el uso de biocarburantes
en motores de
combustión interna:

Generación de energía
térmica:
El sistema
más extendido para este tipo de aprovechamiento
está basado en la combustión de biomasa
sólida, aunque también es posible quemar el
biogás procedente de la digestión anaerobia de un
residuo líquido o el gas de síntesis
generado en la gasificación de uno
sólido.

Generación de energía
eléctrica:
En función del tipo y cantidad de
biomasa disponible varía la tecnología más
adecuada a emplear para este fin.

  • Ciclo de vapor: está basado en la
    combustión de biomasa, a partir de la cual se genera
    vapor que es posteriormente expandido en una turbina de
    vapor.
  • Turbina de gas: utiliza gas de síntesis
    procedente de la gasificación de un recurso
    sólido. Si los gases de
    escape de la turbina se aprovechan en un ciclo de vapor se
    habla de un ciclo combinado.
  • Motor alternativo: utiliza gas de
    síntesis procedente de la gasificación de un
    recurso sólido o biogás procedente de una
    digestión anaerobia.

Generación de energía
mecánica:
Los biocarburantes pueden ser
empleados en los motores alternativos de automóviles,
camiones, autobuses, etc., sustituyendo total o parcialmente a
los combustibles fósiles. La utilización de
biocarburantes es especialmente interesante en industrias
agrarias que dispongan de una adecuada materia prima
para su producción (aceites reciclados, colza, girasol,
maíz, trigo, pataca, etc.) y que puedan autoconsumirlos
(por ejemplo en tractores), llegando a suponer importantes
ahorros en la factura de los
combustibles.

I.1.5 Ventajas y desventajas que
pueden presentar su uso

La utilización energética de la biomasa
presenta, debido a sus características, pequeños
inconvenientes con relación a los combustibles
fósiles:

  • Los rendimientos de las calderas de
    biomasa son algo inferiores a los de las que usan un
    combustible fósil líquido o gaseoso.
  • La biomasa posee menor densidad
    energética, o lo que es lo mismo, para conseguir la
    misma cantidad de energía es necesario utilizar
    más cantidad de recurso. Esto hace que los sistemas de
    almacenamiento sean, en general,
    mayores.
  • Los sistemas de alimentación de combustible y
    eliminación de cenizas son más complejos y
    requieren unos mayores costes de operación y mantenimiento (respecto a las que usan un
    combustible fósil líquido o gaseoso). No
    obstante, cada vez existen en el mercado sistemas más
    automatizados que van minimizando este
    inconveniente.
  • Los canales de
    distribución de la biomasa no está tan
    desarrollados como los de los combustibles fósiles
    (sólo aplicable en el caso en que los recursos no sean
    propios).
  • Muchos de estos recursos tienen elevados contenidos
    de humedad, lo que hace que en determinadas aplicaciones puede
    ser necesario un proceso previo de secado. (Sebastián
    Fernando, Javier Royo, CIRCE, Universidad
    de Zaragoza. 2002) (28)

I.2 BRIQUETEADO, VARIABLES Y SU
INFLUENCIA

I.2.1
Densificación

Como se conoce, la mayoría de las desventajas que
tiene el uso de la biomasa como combustible se derivan de su baja
densidad física
y energética. Por eso es tan importante su
densificación. 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.

Productos compactados con menos de 30 mm de
diámetro son considerados convencionalmente pellets y con
diámetros mayores, briquetas. Los productos compactados no
aglutinados son conocidos por bultos o pacas.

Inexplicablemente, aunque las tecnologías de
densificación datan del siglo pasado, no existe en la
literatura
consultada fundamentación0 teórica precisa
alrededor del tema y los procesos que intervienen en este
fenómeno.

La formación de briquetas, pellets, pacas, etc.
se justifica no sólo por la reducción del volumen
de los combustibles, sino también por la
transformación de sus propiedades.

En los últimos años se ha venido creando
una conciencia cada
vez mayor sobre el empleo de residuos de madera compactada en
forma de briquetas, bolas o "tramos", como combustible
doméstico o industrial.

Las briquetas se forman generalmente haciendo pasar el
aserrín o las virutas secas a través de un troquel
cilíndrico partido, usando un vástago
hidráulico. La presión
ejercida, de unos 1 200 Kg/cm2, y el calor resultante
generado aglomera las partículas de madera en forma de
"leños" artificiales.

La producción de bolas o pellets supone la
reducción de los residuos de madera al tamaño del
aserrín, y luego se secan aproximadamente al 12 por ciento
de contenido de humedad (c.h) antes de su extrusión en
molinos agrícolas especialmente adaptados para formar
cilindros de unos 6 a 18 mm de diámetro y de 15 a 30 mm de
largo, con una densidad del orden de 950 a 1 300
Kg/m3. El secado de la materia antes de su
extrusión se suele realizar en secadoras de tambores
giratorios, caldeadas por un 15 a 20 por ciento de la
producción de bolas de la planta.

Aunque de la densificación resulta un producto
con unas características excelentes de manipulación
y almacenamiento, con una concentración de energía
equivalente al cuádruplo del combustible de madera,
reduciendo así considerablemente los gastos de
transporte y mejorando el rendimiento de las calderas, se ha
llegado a la conclusión de que las grandes inversiones de
capital que se
requieren en la planta de tratamiento y sus costos de
funcionamiento sólo resultan económicamente
interesantes si la distancia desde donde procede la materia prima
que hay que transportar no pasa de 250 Km. (Combustibles
sólidos de baja densidad) (4).

I.2.2 Aspectos fundamentales a tener en
cuenta a la hora de densificar

Se deben tener en cuenta fundamentalmente a la hora de
abordar un proyecto para la
densificación de biomasa, los siguientes
aspectos:

  • Que los productos (pellets, briquetas, etc.)
    mantengan sus propiedades como sólidos compactados hasta
    que cumplan su función (durante su manipulación,
    transporte, almacenaje, dosificación y
    combustión).
  • Que se comporten satisfactoriamente como
    combustibles, dentro de un sistema integral
    concebido.

Las biomasas como la paja de caña, la
cáscara de arroz y el aserrín con su "elasticidad
natural", requieren para su densificación en briquetas,
mayores presiones que los materiales
inorgánicos, debido a la necesidad de romper las paredes
celulares mediante presión y temperatura.

Idealmente, para concebir un proyecto de
utilización, se analizan los requerimientos del
transporte, manipulación, almacenaje y combustión,
calidad del servicio
energético, impactos al medio y sobre los productos,
residuales y desechos, etc., y luego, a partir de las
características físicas y químicas del
combustible sólido de baja densidad disponible, se escoge
el método de
preparación y densificación óptima y la
máquina capaz de lograrlo, la transportación y el
almacenaje, el sistema de combustión, etc.

Según el criterio de una empresa
española productora de briquetas y pellets de
aserrín:

"El mayor enemigo que a las técnicas
de densificación se les presenta es su aparente
sencillez." La gente le ve tal facilidad aparente que muchos, por
ejemplo en España,
han adquirido máquinas
briqueteadoras o pelletizadoras estándar, de firmas
reconocidas y "sencillamente" después de múltiples
intentos la mayoría ha tenido que abandonar los proyectos,
o ha quebrado.

El éxito
de un proyecto de producción de briquetas con fines
energéticos lo fundamentan dos conceptos.

  • Tenacidad y confianza en la investigación aplicada.
  • La integralidad del concepto. El
    combustible, la briqueta, es sólo una parte: el
    "portador". Lo esencial es el servicio energético que se
    logre integralmente.

I.2.3 La humedad inicial del
material biomásico a tratar

Por una parte a causa de las grandes presiones internas
que se levantan en las prensas de pistón, sólo se
pudieran "briquetear" combustibles relativamente secos. El
incremento de la humedad causa mayor cantidad de vapor de agua
que se genera durante la compresión, el cual o rompe la
briqueta por su superficie al enfriarse o puede producir una
explosión que lanza la briqueta como un proyectil. En el
caso de un brusco incremento de la humedad en el material de la
entrada, la explosión de vapor puede incluso dañar
la prensa.

Por otra parte mientras menor sea la humedad del
material inicial, la fricción en el proceso aumenta y con
ello se incrementa la demanda de energía. Los límites de
humedad dependen del material y el tipo de "briqueteadora" que se
utiliza, normalmente se acepta como humedad óptima
alrededor de 7 %, permitiéndose como límite
inferior 5 % y como superior 15 %. En algunos casos
específicos se reporta hasta 20 % de humedad.

Estas limitaciones de humedad y el control de la
homogeneidad del proceso, exigirían en muchos casos el
secado como paso previo o al menos el control de la
humedad.

Desde luego, en nuestro caso, para el aserrín.,
se trataría casi siempre de secado natural, solar, por
nuestras condiciones climáticas. Esto siempre añade
costos de inversión y manipulación.

I.2.4 Tamaño de las
partículas, granulometría y presión de
prensado

En la formación de bultos o pacas, por lo
general, el tamaño de la partícula tiene menor
importancia y mientras más largas éstas sean se
facilita el amarre o tejido. Para la formación de
briquetas se acepta que sólo lo que puedas palear, lo
podrás briquetear. En general, el material a briquetear
idealmente deberá contener partículas largas y
cortas. La longitud misma de la partícula dependerá
del material y diámetro del dado. Mientras mayor sea la
máquina y el dado, mayor podrá ser la
partícula, por ejemplo para dados de 125 mm de
diámetro, la partícula más larga será
de 15 mm. En muchos casos esta restricción obliga a
introducir la molienda previa del material, obviamente la paja de
caña requerirá de su molienda previa para la
producción de briquetas y pellets.

La densificación que se produce durante la
formación de briquetas comprende dos procesos bien
definidos:

  • La compactación volumétrica bajo
    presión del material disperso que aumenta su
    densidad.
  • La aglomeración o aglutinación del
    material que permite que el mismo mantenga su
    compactación como producto.

Tres factores inciden y regulan este
proceso:

  • La composición física y química del
    material.
  • La presión dinámica.
  • La temperatura interna del proceso y externa (en el
    dado).

Por lo general, las biomasas residuales como compuestos
ligno-celulósicos, aportan la lignina propia como
aglutinante, no comportándose así el aserrín
que necesita de un aglutinante para que mantengan sus propiedades
como sólidos compactados durante su manipulación,
transporte, almacenaje, dosificación y
combustión.

La temperatura, dependiendo de la briqueteadora, se
relaciona con la presión debido a la fricción
interna entre las partículas y con la pared del dado y
algunas veces se usan fuentes externas de calor (se calienta el
dado en su sección de entrada).

El que se use un aglutinante externo o no depende de la
briqueteadora que se utilice y del material original. En
máquinas de alta presión (>100 MPa), raramente
se usa aglutinante externo, en medias presiones (5-100 MPa)
depende del material y su compactación, en bajas presiones
hasta 5 MPa siempre es necesario añadir aglutinante. Por
ejemplo, cuando se calienta la madera (aserrín) sobre su
rango de temperatura de plasticidad (165 oC) se pierde
su elasticidad y se comprime más
fácilmente.

La humedad, desempeña un importante papel en la
densificación, ayuda a la transferencia del calor y mejora
la plasticidad del material. Si el material está muy
húmedo o muy seco las presiones necesarias se incrementan
drásticamente.

Algunas veces se usan aditivos para facilitar el
encendido uniforme y mejorar las características del
combustible.

El uso de la biomasa como combustible no es una
necesidad de los países pobres y subdesarrollados, sino de
todos los países del mundo en la lucha contra la
contaminación y por lograr el desarrollo
sostenible. (Combustibles sólidos de baja densidad)
(4).

I.2.5 Ventajas de las
briquetas

Briquetas un combustible limpio y barato.

Restos de madera, virutas, etc. son desechos que ocupan
un valioso espacio. Gracias a las briquetas compactas se rebajan
los gastos de almacenaje y de transporte. Además es un
combustible a almacenar muy seguro ya que el
peligro de que las briquetas ardan por sí mismas durante
su almacenaje es mínimo.

Un elemento a tener presente es el rendimiento en
combustible quemado de las briquetas, siendo una
característica muy importante que debe ser evaluada.
Está definida como la razón entre la cantidad en
peso de briquetas quemadas, y la máxima cantidad de
material que puede ser quemado.

Elevado rendimiento en combustible quemado con valores de
hasta el 98%.

"Al quemar un kilogramo de briqueta estamos
ahorrando tres kilogramos de leña".

I.3 APROVECHAMIENTO POTENCIAL DE LOS RESIDUOS
DE MADERA EN LOS ASERRÍOS

La industria del
aserrío tiene las posibilidades de producir con los
desechos de los aserraderos y de las carpinterías (el
aserrín) tableros contrachapados y de partículas, o
podría brindar energía térmica mediante su
combustión.

A lo largo de los años, muchos aserraderos han
considerado los residuos de madera como un subproducto engorroso
de la operación de aserrío, con su consiguiente
eliminación para relleno de terrenos o
incinerándolos en quemadores Wigwam. Sin embargo, estos
dos destinos se han convertido últimamente en problemas
ambientales contenciosos y, todo ello combinado con el
aumento de los costos energéticos, ha hecho que los
dueños de aserraderos se hayan visto obligados a pensar
seriamente en las ventajas de emplear los residuos como fuente
alternativa de combustible: esto ha coincidido también con
el aumento de la demanda de residuos como material para la
fabricación de pastapapel y tableros, dado el aumento del
costo de la
madera sólida y su mayor competitividad.

Actualmente, la mayoría de las instalaciones de
elaboración de la madera que se construyen en los
países desarrollados incorporan quemadores de
aserrín basto para ahorrar así determinados
suministros costosos de combustibles fósiles.

I.3.1 Fuentes de residuos
de madera

Puede afirmarse que de un árbol corriente, se
obtienen menos de las dos terceras partes para su ulterior
elaboración, mientras el tercio restante o se queda
abandonado, se quema o lo recogen como leña los habitantes
del lugar. Después de la elaboración, sólo
un 28 por ciento del árbol se convierte en madera
aserrada, quedándose el resto en residuos como se muestra en la
siguiente tabla:

Tabla 2.
Distribución de un árbol corriente apeado
para madera de aserrío

Parte o producto del
árbol

Proporción 

(%)

Dejado en el bosque:

Copa, ramas y follaje

23,0

Tocón (excluidas las
raíces)

10,0

Aserrín

5,0

Aserrío:

Virutas, costeros y recortes

17,0

Aserrín y menudos

7,5

Pérdidas varias

4,0

Corteza

5,5

Madera aserrada

28,0

Total 

100,0

Residuos forestales

No es raro que un 60 por ciento del total del
árbol talado se quede en el bosque y que las especies no
comerciales se dejen para corta y quema, o simplemente se talen y
se dejen pudrir para facilitar el acceso a la extracción
de árboles. Las prácticas de aserrar y
escuadrar los rollizos en el bosque en lugar de hacerlo en el
aserradero hacen que se desperdicie del ocho al diez por ciento y
de 30 a 50 por ciento, respectivamente.

Todos los residuos de la madera y su corteza, que se
suelen denominar comúnmente aserrín basto debido al
proceso de reducir el tamaño de los residuos en una
"desmenuzadora" tienen valor como combustible, aunque se produce
en una gran gama de tamaños con diverso contenido de
humedad, como se indica en el Cuadro 10, y comprenden
principalmente los siguientes:

  • Corteza, que constituye de un 10 a un 22 por
    ciento del volumen total de la troza según tamaño
    y especie, y cuya eliminación puede suponer un grave
    problema a no ser que pueda utilizarse como combustible o
    eliminarse antes de la preparación de la
    troza.
  • Residuos secundarios, como costeros,
    desperdicios de canteado, recortes, incluso de chapas, recortes
    de aserrío y de tableros de partículas, que
    cuando se reduce su tamaño se convierten en un
    combustible ideal, especialmente cuando están secos.
    También tienen valor de reventa como material para pasta
    y tableros de partículas.
  • Las almas, procedentes de trozas para el
    desenrollo de chapas, y que se venden por lo general a los
    aserraderos como madera aserrada o como partículas o
    astillas para pulpa.
  • Aserrín, que es el producto de todas
    las operaciones
    mecánicas de elaboración de la madera,
    especialmente del aserrío, y que por lo general no se
    considera como material primario para la fabricación de
    pasta debido a su diminuto tamaño, aunque resulta
    aceptable para la fabricación de tableros de
    partículas.
  • Virutas de cepillado, que proceden del
    dimensionamiento y alisado de la madera aserrada, de la madera
    contrachapada y de los tableros de partículas con
    cepillos durante la fase de acabado. Se consideran ideales para
    la producción de tableros de partículas y son
    excelentes para el caldeo de hornos y secadoras.
  • Lijaduras, que se producen durante el lijado
    abrasivo de la madera aserrada, de los tableros contrachapados
    y de partículas durante la fase de acabado. Debido a su
    tamaño y a su bajísimo contenido de humedad se
    prestan muy bien al caldeo directo.
  • Residuos de tableros de partículas, que
    son del orden de un cinco por ciento y que tienen escasa
    importancia en comparación con los que se producen en
    otras industrias mecánicas a base de madera, pues en
    buena parte se reciclan dentro del proceso productivo. En
    realidad, los residuos procedentes del aserrío y de la
    fabricación de tableros contrachapados constituyen gran
    parte del material que sirve para los tableros de
    partículas.

I.3.2 Valor de los residuos madereros
como combustible

Valor calorífico

Cuando se evalúan las propiedades de un material
combustible en función de su utilización como tal,
el valor calorífico, expresado en este documento como
valor calorífico superior, es uno de los factores
más importantes, que indica la cantidad de energía
térmica que puede obtenerse quemando una unidad de masa
del material.

El valor calorífico de la madera depende
muchísimo de las especies y de la parte del árbol
que se aproveche; varía entre 17 y 23 MJ/kg de madera en
seco (MS); generalmente las coníferas tienen
valores calóricos superiores a las maderas duras o
frondosas, con un valor medio de 21 MJ/kg (MS) para maderas
resinosas y 19,8 MJ/kg MS para otras maderas que se emplean. En
efecto, hay escasísima variación en los valores
caloríficos de las propias sustancias de la madera, siendo
de 19 MJ/kg MS, por ser en efecto ésa la variación
en el contenido de resina, con un valor calorífico de 40
MJ/kg MS, que corresponde a las diferencias en valores
entre especies. Ese es el motivo por el que la corteza, con un
alto contenido de goma y resina, suele tener un valor superior al
de la madera.

Sin embargo, aunque el valor de combustible puede ser
bastante sustancial en la madera seca, el valor calorífico
depende de varios factores, a saber, el contenido de humedad, el
tamaño de las partículas, el tipo y eficiencia del
equipo de combustión que se emplee y el grado de
funcionamiento y mantenimiento. Por eso, para formarse una idea
cabal de los valores caloríficos de varias resinas de
madera hay que tener en cuenta el contenido térmico
unitario de los residuos según su contenido de humedad,
junto con la eficiencia del proceso de transformación
energética, que, según se indica en el Cuadro 9,
ofrece un análisis comparativo que habrá de hacerse
con otros combustibles alternativos (Ver Tabla 3).

Tabla 3. Efecto del
contenido de humedad en el valor calorífico neto de la
madera comparado con el de otros combustibles

Combustible

Quemado valor calorífico
bruto (MJ/kg)

Eficiencia de un quemador
corriente (%)

Aprovechable valor
calorífico neto

(MJ/kg)

Madera al 0% de c.h.

19,8

80

15,8

"     10% de c.h.

17,8

78

13,9

"     20% de c.h.

15,9

76

12,1

"     30% de c.h.

14,5

74

10,7

"     40% de c.h.

12,0

72

8,6

"     50% de c.h.

10,0

67

6,7

Antracita

31,4

83

26,1

Lignito

26,7

80

21,4

Petróleo pesado

42,6

82,5

35,1

Petróleo ligero

43,5

82,5

35,9

Butano

49,3

79,0

38,9

Propano

50,0

78,7

39,4

I.3.3 Efecto del
contenido de humedad y del tamaño de las partículas
en los valores caloríficos

La madera cuando se extrae en el bosque tiene por lo
general un contenido de humedad de un 50 a un 55 por ciento,
aunque ese grado varía según la especie, edad y
parte del árbol del que procede el material, según
se trate de ramas, tronco, etc. Respecto a esta media se dan
ulteriores fluctuaciones en las que influye la estación en
la que se corta la madera y la forma en que se transporta al
aserradero y se almacena allí.

Los almacenamientos en primavera y verano podrían
causar una pérdida de humedad del 10 al 25 por
ciento.

El contenido de humedad de los residuos industriales
depende muchísimo de la fase del proceso en que se
extraiga y si ha habido algún secado del producto antes de
esa fase. Por ejemplo, las lijaduras de tableros contrachapados o
tableros de partículas se sacan de la fábrica
después de los secadores y de las prensas en caliente,
cuando su contenido de humedad podría bajar hasta un 10
por ciento o menos, conforme se indica en la Tabla 4.

Tabla 4. Serie de
características de residuos madereros
corrientes

Residuos

Tamaño

(mm)

Contenido de humedad
(%)

Contenido de cenizas
y
suciedad (%)

Lijaduras

<1

2-10

0,1-0,5

Virutas

1-12

10-20

0,1-1,0

Aserrín

1-10

25-40

0,5-2,0

Corteza (desmenuzada)

1-100

25-75

1,0-2,0

Limpiezas de apiladeros de trozas

hasta 100

40-60

5,0-50

Residuos forestales de agujas a
tacones

30-60

3,0-20

I.3.4 Reducción de
tamaño y selección

Mientras el aserrín, las virutas y las lijaduras
pueden quemarse directamente sin necesidad de ulterior
tratamiento, hay otras formas de residuos madereros que tienen
que reducirse de tamaño para facilitar su
manipulación, almacenamiento y su paso regulado a la
cámara de combustión. Si se consigue un
tamaño uniforme de partículas, se mejorará
la eficiencia de la combustión debido al ritmo uniforme y
controlado de entrada de combustible y a la posibilidad de
regular el paso del aire. Además, en el caso de
combustibles con gran contenido de humedad, el proceso de
reducción expone una mayor parte de la superficie de la
partícula a los gases de caldeo, liberando así la
humedad más rápidamente, con lo que se refuerza su
valor calorífico.

La reducción del tamaño puede realizarse
en varias etapas con una desmenuzadora o una trituradora,
procediéndose al cribado antes y entre estas
operaciones.

Secado del combustible

Como ya se ha indicado,  la eficiencia de la
combustión, el control de los parámetros de
trabajo y la
capacidad del operador para responder rápidamente a los
cambios del régimen de trabajo en hornos o calderas
resultan muy difíciles de controlar cuando el contenido de
humedad en el combustible es elevado y fluctuante. Estas
situaciones pueden mejorar si se seca el combustible, lo que
también repercutirá en un incremento de la
capacidad de trabajo y dará lugar a un mejor control de la
emisión.

La humedad de los residuos puede reducirse mediante
prensado mecánico, secado al aire o el empleo de secadores
de aire caliente, o combinando los tres procedimientos.
La práctica comúnmente seguida es que las prensas
mecánicas se empleen en las cortezas y residuos de madera
con niveles de humedad superiores al 70 por ciento para reducirlo
al 55 ó 60 por ciento de c.h., lo que permitiría
entonces que el residuo se mezclara con los materiales que entran
en la secadora para producir así un elemento
combustible.

Ahora bien, en el caso de que se disponga
fácilmente de suficientes suministros de residuos de
madera para cubrir las necesidades energéticas de la
planta, y la eliminación de las cortezas no suponga un
grave problema para el aserradero, entonces no estaría
justificado económicamente que las cortezas se sometan a
prensado y secado dada su necesidad de mantenimiento, la demanda
de energía y las instalaciones de gran intensidad de
capital que harían falta para ello.

El secado al aire de los residuos de la
extracción de madera de los bosques, suponiendo que
predominen unas condiciones climáticas adecuadas, puede
producir una pérdida de humedad de un 10 a un 15 por
ciento, que puede incluso bajar aún más al 25 por
ciento si los residuos se dejan en espacios sin árboles
expuestos a la acción
del viento y del sol. El secado al aire de los residuos
industriales, siempre qué lo permitan el tiempo y el
espacio, es preferible que se haga en zonas cubiertas y bien
ventiladas, especialmente para los residuos de menor
tamaño como el aserrín, que es más propenso
a absorber el agua de
lluvia y necesita más tiempo para secarse al aire que los
residuos de madera mixtos. (Aprovechamiento Potencial de los
Residuos de madera para la Producción de
Energía)(9).

I.4 LA FABRICACIÓN ARTESANAL DE
LADRILLOS

La parte más compleja del proceso artesanal de
elaboración de ladrillos, desde el punto de vista de su
impacto sobre el medio
ambiente, se centra en su cocción y principalmente, en
la combustión del horno. Este consiste en hacer arder
leña contenida en las troneras. Dada la mala
ventilación de éstas, se produce un fuego carente
de oxígeno, lo que provoca abundante emisión de
humos y olores de leña mal combustionada. De acuerdo al
tamaño del horno, se procede a cerrar las troneras, de
manera que se produzca un tiraje de calor hacia las capas
superiores. Es aquí donde se producen emisiones de vapores
de agua del ladrillo y olores de emisiones del carbón.
(Comisión Nacional de Medio Ambiente 2001)
(7)

En la actualidad se estudia en algunas zonas de nuestro
país la producción artesanal de ladrillos,
empleando residuos de la industria forestal como el
aserrín. En tal sentido se estudia la producción de
bloques sólidos combustibles, que en algunos casos han
sido usados para quemas de ladrillos en forma experimental, sin
llegar todavía a obtener los resultados necesarios para su
generalización. Uno de los lugares donde más se ha
avanzado en el empleo de los bloques sólidos combustibles
es en la cooperativa
"Joaquín Bernal" en Manicaragua, Villa Clara, donde los
fabricantes de ladrillos artesanales pretenden reemplazar el uso
de leña en el horno por briquetas de aserrín, y
adoptar medidas tendentes a mejorar las condiciones de higiene y
seguridad en esta actividad. El proveedor de aserrín
en este caso será la Unidad Básica de
Producción Aserrío "Víctor Martínez"
de Manicaragua. La fabricación de ladrillo es una
actividad productiva que, además de dar sustento a muchas
familias en el país, genera un insumo básico para
la construcción.

I.4.1 Ladrillos rojos

En función del régimen térmico del
horno donde se realice la quema de los ladrillos, éstos
variarán sus propiedades. El régimen térmico
además de la operación del horno dependerá
del combustible que se emplee, pero en cualquier situación
deberá garantizarse que el producto final cumpla con las
Normas
Técnicas para la Calidad.

Los requisitos obligatorios que imponen las normas son
alternativamente evaluar la resistencia a la
compresión o la densidad. Si sólo se evalúa
la densidad del ladrillo, ésta debe tener un valor
mínimo de 1.5 gr/cm3 en la clase I, y 1.6
gr/cm3 en la clase II. Si sólo se evalúa
la resistencia a la compresión, ésta debe tener un
valor mínimo de 60 N/cm2 en la clase I y 60 N/cm2 en la
clase II. La clase III, exige ya como requisito una resistencia
mínima a la compresión de 95 N/cm2 y
simultáneamente una densidad mínima de 1.6
gr/cm3, lo cual en caso de ladrillos artesanales es
muy difícil de conseguir. Si bien parece más
fácil evaluar la densidad que la resistencia a la
compresión, las normas especifican las metodologías
a seguir para determinarla, lo que incluye tener balanzas de 0.5
gr. de precisión y muflas (hornos), así como
accesorios. Ello nos obliga a recurrir a laboratorios. "En el
Perú el costo de cada ensayo
varía de 27 a 45 dólares, pues se requiere de tres
a cinco ladrillos como lote mínimo para determinar valores
promedios. Evaluaciones aproximadas de la densidad efectuadas por
ITDG, indican que en los últimos ensayos, la
metodología de quema tradicional mixta
(carbón en la carga y leña en el encendido),
produciría ladrillos de clase III; mientras que la
tecnología que viene adaptando ITDG (carbón en la
carga y briquetas de carbón en el encendido),
produciría ladrillos de clases I y clases II. Los
resultados de laboratorio confirmaron que la calidad de los
ladrillos obtenidos con la segunda alternativa de encendido para
la quema es superior, según se aprecia en la siguiente
tabla, sin embargo es conveniente confirmar estos resultados
preliminares con evaluaciones posteriores.

Tabla 5. Ensayos de
rotura a la compresión

Muestras

Carga promedio de rotura a la
compresión

Encendido con briquetas (04
muestras)

122 Kg/cm2

Encendido con leña 1 (02
muestras)

59 Kg/cm2

Encendido con leña 2 (03
muestras)

93 Kg/cm2

Encendido con leña 3 (03
muestras)

82 Kg/cm2

I.5 ASPECTOS FUNDAMENTALES ACERCA DEL
DISEÑO EXPERIMENTAL

El diseño
de un experimento es el procedimiento de
selección del número de vías
y condiciones suficientes y esenciales para dar solución a
un problema planteado con la precisión requerida,
brindando un error en la determinación de los efectos de
interés mucho menor que otro método.

Es frecuente que los científicos necesiten
enfrentarse a numerosos problemas relacionados con la
realización de experimentos
más o menos costosos y complejos con el objetivo de
obtener información sobre el sistema en estudio.
Muchos son los ejemplos que pueden citarse al respecto:
condiciones de realización de un experimento, la
influencia de factores sobre las propiedades
físico-químicas de un producto, y otras. En la
mayoría de estos problemas, se investiga cómo
influyen diferentes condiciones de obtención sobre una
propiedad o
característica del sistema investigado.

I.5.1 La importancia del diseño
experimental

La importancia de un diseño de experimento radica
en que disminuye, de forma considerable, la inversión de
tiempo, recursos materiales y humanos, estudia la
variación simultánea de las variables determinantes
del proceso, utiliza un aparato matemático que formaliza
muchas acciones del
experimento (planificación, preparación y
realización) y brinda estrategias
claras luego de tomar decisiones sustentadas a partir de cada
serie de experimentos.

Para realizar un diseño de experimento es
necesario conocer el objeto de investigación, para lo cual
se establece un método cibernético que consta de
los parámetros de optimización y de los
factores.

Un parámetro de optimización debe
ser:

  • Efectivo desde el punto de vista
    investigativo;
  • De naturaleza universal;
  • Cuantitativo y expresado mediante un valor
    único;
  • Efectivo estadísticamente;
  • Con un significado simple y fácil de
    calcular;
  • Existente para todos los estados
    distinguibles.

I.5.2 Algunos conceptos generales
relacionados con el diseño factorial
experimental

Factor: Las variables independientes
que influyen o pueden influir sobre el proceso investigativo
determinado son conocidas con el nombre de factores.

En un proceso de obtención de las briquetas los
factores pueden ser: la presión, el tiempo al que
permanezca comprimida la briqueta a la Pmáx., la cantidad
de aglutinante, etc. Las variables son designadas con la letra
X, o sea: x1, x2,…xn,
correspondientes a los factores 1, 2,… n
respectivamente.

Función respuesta: Cuando se realiza un
experimento, los resultados se expresan a través de una o
más variables dependientes, por ejemplo en la
obtención de las briquetas, las variables son: la
resistencia obtenida para su manipulación, el valor
calórico, la densidad, el tiempo de secado y sus
propiedades para la combustión entre otros. Estas
propiedades que generalmente constituyen el blanco u objeto de
estudio, son conocidas como función respuesta y se
representan con la letra Y. La función respuesta es
función de los factores y puede expresarse
como:

Tabla 6. Matriz
factorial

Nivel del factor: Es el valor que
puede tomar un factor; y el conjunto de factores que condicionan
una vía.

Superficie de nivel: La forma geométrica
de la función respuesta como función de los
factores, es conocida como superficie de nivel.

Espacio factorial: Se denomina así al
espacio comprendido por los ejes del sistema de coordenadas en
que se representan los valores de los factores.

Reproducibilidad de los experimentos: Es
necesario que los experimentos sean reproducibles. De no ser
así, o de tener el experimento baja reproducibilidad no se
llegará a conclusiones muy útiles en cuanto a la
optimización del proceso experimental.

Con el objetivo de verificar la reproducibilidad de los
experimentos se realizan varias series de determinaciones
paralelas en la región del espacio factorial que se
investiga y sus dispersiones pueden ser comparadas.

Modelo matemático: Un modelo
matemático es una ecuación o sistema de ecuaciones que
relaciona la función respuesta con los factores que
influyen sobre éste. En ocasiones, el modelo
matemático es denominado descripción matemática.

Con la ayuda de los métodos
matemáticos de diseño óptimo de
experimentos, es posible obtener un modelo matemático de
cualquier proceso físico-químico, sin tener
ningún dato sobre el mecanismo del proceso.

El modelo matemático, descripción
matemática o modelo estadístico experimental, no es
más que una ecuación de regresión que se
obtiene a partir de datos
experimentales. (Metodología de la Investigación
2003) (20).

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  34. Villegas Aguilar, P. J.; "Aprovechamiento de residuos
    fibrosos de la industria azucarera mediante procesos de
    conversión térmica" Tesis
    Doctoral, Universidad Central de Las Villas, Santa Clara,
    Cuba, 2000.

 

 

 

Autor:

Ing. Leonardo Gonzáles
Mesa

Ingeniero Mecánico

Nacionalidad: Cubana

Dirección: Calle B # 63 % 2da y
3era Cabaiguán, Sancti Spíritus,
Cuba.

Centro de Trabajo: Centro de Estudios Energéticos
y Procesos Industriales.(CEEPI)

Centro Universitario "José Martí"
.

Ave de los Mártires # 360. Sancti
Spíritus, Cuba.

Sancti Spíritus Cuba Junio 2005

Partes: 1, 2
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