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PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION PROGRAMA DE ESTÍMULOS A LA INNOVACIÓN FICHA PÚBLICA DEL PROYECTO: (220345) PROYECTO: INSTALACION DE UNA PLANTA PILOTO EXPERIMENTAL PARA LA ESTANDARIZACION DE PELETS DE RASTROJO DE MAIZ PARA SU USO COMO COMBUSTIBLE EMPRESA BENEFICIADA: FORTE AGRO ALIMETOS S. DE P. R. DE R. L. MODALIDAD: P R O I N N O V A 2015 MONTO DEL APOYO OTORGADO POR CONACYT 4´326,079.00 EQUIPO DE TRABAJO FORTE AGRO ALIMENTOS S DE PR DE RL ING GUSTAVO TRUJILLO M. CP KARIME GARCIA M. ING. HECTOR LOYA G. ING. CESAR URBINA T. CENTRO DE INVESTIGACION E ALIMENTACION Y DESARROLLO A C (CIAD) DR. DAVID R. CEPULVEDA A. UNIVERSIDAD AUTONOMA DE CIUDAD JUAREZ (UACJ) DR. JAVIER S. CASTRO C. Cd. Cuauhtémoc, Chihuahua. 30 de Diciembre de 2015 1 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION INDICE 1 Antecedentes Pellet Que es el pellet? Usos Ventajas economicas Ventajas de seguridad Ventajas ecologicas 2 Introduccion a la produccion de pellets Los estandares industriales y calidad del pellet La durabilidad mecanica del pellet Contenido de humedad en el pellet terminado Produccion de pellets de biomasa El proceso de pelletizado paso a paso Requisitos de potencia Situacion de la planta de produccion 3 El proceso de produccion Reduccion de la materia prima Tamaño de la particula y el efecto en la calidad del pellet Transporte de material en proceso de maquina a maquina Ciclon separador Tornillo sin fin Soluciones para el secado Reducir la humedad utilizando el sol Fuente de calor Acondicionado Porcentaje de humedad Calidad de la lignina (adhesivo natural) Densidad del material Acondicionado con vapor para incrementar productividad Tolirancias de la Pelletizadora Produccion de pellets de biomasa Pelletizadora de plantilla plana Ventajas de la pelletizadora de plantilla plana Desventajas de la pelletizadora de plantilla plana Pelletizadoras anulares Ventajas de la pelletizadora anulares Desventajas de la pelletizadora anulares 4 Proyecto 220345 5 Objetivos del Proyecto Objetivo General Objetivos Espesificos Breve descripcion del proyecto Pagina 3 4 4 4 4 5 5 6 7 9 9 9 10 11 11 12 12 12 13 13 13 14 14 15 15 16 16 17 17 18 18 19 19 20 20 21 21 23 23 23 23 23 2 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION Pagina 6 Instiruciones Vinculadas 25 25 7 Actividades Realizadas 27 8 Resultados Planta piloto experimental 27 Distribucion de la Planta 28 Proceso optimo para la pelletizacion del Rastrojo de Maiz 30 Materia prima 30 Rastrojo de Maiz 30 La formla 31 Caracteristicas del proceso de fabricacion de pellets de Rastrojo de Maiz 32 Estandarizacion del proceso de fabricacaion de pellets de Rastrojo de Maiz 32 Diagreama de flujo de Proceso de fabricacion de pellets de Rastrojo de Maiz 33 Flujo del proceso en la planta para la fabricación de pellets de Rastrojo de Maíz, 34 Pellet de Rastrojo de Maíz, 35 Análisis comparativos con otros combustibles, 35 9 Datos tecnicos 36 10 Impactos 37 3 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION 1. Antecedentes; El mercado de pellets de biomasa como combustible ha experimentado un aumento significativo los últimos años. En 2010 la producción mundial de pellets llego a 14,3 millones de toneladas, mientras que el consumo fue cercano a los 13,5 millones de toneladas. Entre el 2010 y 2011 la capacidad instalada registro un aumento del 22% llegando a mas de 28 millones de toneladas. Durante el 2009 se instalaron aproximadamente 670 plantas de pellet en la Unión Europea, con una producción inferior a las 10000 ton/año, sin embargo desde el 2009 el crecimiento en la demanda estimulo las inversiones en plantas de gran escala incrementando el rango de cientos de miles de toneladas en la UE, USA, Rusia y Otros. La UE sigue siendo el principal mercado de los pellets, entre 2008 y 2010 la producción aumentó un 20,5% logrando 9,2 millones de toneladas en 2010, equivalente al 61% de la producción global. En el mismo periodo el consumo de pellets aumento un 43,5% hasta alcanzar más de 11,4 millones de toneladas en 2010, lo que equivale al 85% de la demanda mundial El comercio de Pellets en Europa, como las importaciones están creciendo rápidamente. Los principales exportadores de pellets a la Unión Europea durante el 2011 fueron Canadá, con un 36,7%; Estados unidos un 31,7%. En tercer lugar se encuentra Rusia con un 15% del total de exportaciones. MEXICO NO FIGURA en las importaciones de pellets realizadas por Unión Europea ni por ningún otro mercado, a pesar de ser un país rico en gran variedad de recursos 100% renovales de biomasa tales como bosques y agricultura a gran escala. Nuestra empresa con este proyecto es pionera en el desarrollo e investigación de estos procesos y estas oportunidades de nuevos negocios 100% tangibles a nivel mundial, tal y como se puede observar en el mercado actual y su constante crecimiento. La tendencia en la utilización de calderas y estufas a pellets ha tenido un incremento significativo sobre el número de equipos instalados anualmente. En Alemania por ejemplo durante el 2011 se instalaron 15.000 calderas de potencia menor a 50kw, mientras que el 2012 se instalaron 25.000. 4 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION Pellet El pellet de biomasa es una energía renovable, ecológica y muy económica que presenta un balance de CO2 neutro. Se trata de un combustible ecológico de gran poder calorífico que ayuda a cuidar el medio ambiente. Cualquier materia prima viva o muerta que se pueda utilizar para fabricar pellets destinado a ser combustible, se le denomina Biomasa. Esto incluye cualquier resto de desecho de la madera como podas, serrines, limpieza de campos, hierba, paja, residuos de cosechas (rastrojos), hojas, las propias cortezas incluyendo también por ejemplo restos orgánicos de animales como pueden ser los estiercoles previamente deshidratados, cáscara de almendra, hueso de aceituna por sólo nombrar unos pocos. Qué es el pellet? Los pellets de biomasa son pequeños cilindros de serrín comprimido, proveniente de cualquier tipo biomasa antes descrita. Estos cilindros se conforman a través de una alta presión aplicada a través de una matriz sin ningún tipo de aditivo. Su humedad es muy baja. Así que, estas pequeñas “píldoras de energía” necesitan muy poco espacio de almacenamiento. Usos Los usos principales del pellet son calefacción y agua caliente. Cualquier instalación realizada con combustibles tradicionales se puede ejecutar mediante pellet. Las aplicaciones del pellet van desde calefacción y agua caliente sanitaria en viviendas unifamiliares hasta comunidades de vecinos, empresas, oficinas, comercios, hoteles, industria, invernaderos, etc. Ventajas económicas • El pellet es considerablemente más económico que los combustibles fósiles (80% más barato que el gasóleo). • Usando pellet no se depende de los continuos cambios en los precios de otros combustibles. 5 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION • Con la instalación de sistemas de pellet se cumple con el Código Técnico de Edificación y se evita la obligatoriedad de instalar paneles solares térmicos. Ventajas en seguridad • El pellet almacenado no presenta riesgo de explosión, no es volátil, no produce olores, no se producen fugas y si se produce un derrame todo lo que necesitará será una escoba. • El pellet es un combustible no tóxico e inocuo para la salud. • La combustión de pellets apenas produce humos. Ventajas ecológicas • Se trata de una fuente de energía renovable (con balance neutro de CO2). Usando pellet, se contribuye a reducir significativamente la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera. • La combustión del pellet es mucho más eficiente que la combustión de la leña y por tanto las emisiones son mínimas. • Disminuye la lluvia ácida, ya que los pellets no presentan azufre en su composición. • La ceniza que resulta de la combustión del pellet es mínima por la alta eficiencia de la combustión y es totalmente biodegradable, incluso es un buen abono. El pellet en Europa, hoy en día es el combustible por excelencia con múltiples finalidades, desde la calefacción para hogares utilizadas en calderas y estufas de pellets hasta la calefacción y energía para industrias, granjas, etc. Se pueden fabricar pellets de cualquier tipo de biomasa, desde la madera natural, las podas, deshechos de cosechas (rastrojos y esquilmos), hasta el estiercol deshidratado del ganado. 6 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION 2. Introducción a la producción de pellets. Aunque pueda parecer inconcebible, el pellet viene produciéndose hace más de un siglo utilizándose técnicas de prensado en un formato de pequeños elementos cilíndricos producidos por calor y desde múltiples tipos de materiales de desecho para diferentes propósitos, desde la calefacción, la alimentación de animales, la fertilización de campos entre otros motivos muy variados. A mediados de los años 70, algunas compañías se centraron en la fabricación de maquinaria para la alimentación de animales y profundizaron poco en la investigación de cómo utilizar éste formato destinado a la calefacción doméstica e industrial. Pero debido a que en aquella época los combustibles fósiles han sido siempre tan económicos, nunca llegó a despegar el mercado de la maquinaria destinada a la fabricación de combustible utilizando la biomasa. Realmente no ha sido hasta finales del siglo 20 y principios del siglo 21 que la investigación y la proliferación de éste producto junto con la creación de calderas y todo un mundo de maquinaria alrededor del formato del pellet tuvo un gran empuje e incluso hoy en día, las empresas se apresuran en resolver los problemas y dificultades que conllevan la continua aparición de casi infinitos materiales de deshecho y la diversidad de materiales a pelitizar desde los plásticos y derivados múltiples del petróleo hasta las infinitas variedades de biomasa del campo, papel, cartón, etc. Cada día que aumentan más de forma irremediable los precios de los combustibles fósiles como el gas y el petróleo y su cada vez mayor escasez junto con el cambio climático, hacen que el combustible basado en el formato del pellet resulte ser económico y limpio como calefacción y energía alternativa que contribuyendo a reducir las emisiones nocivas a la atmósfera. Es una línea de negocio ideal fuera de las variaciones de los precios en los mercados siendo además una fuente de ingresos fiable de larga duración. Además el formato del pellet permite: • Alimentar sistemas automáticos. • Ser utilizado como un fluido debido al transporte por aspiración y tornillos sinfín. • Tener una alta densidad. • Utilizarse en estufas y calderas tanto industriales como domésticas además de ser utilizados en aplicaciones de gran escala. • Fácil manejo, almacenaje y transporte. 7 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION Los estándares industriales y calidad del pellet, Tenemos que recordar que realmente si hablamos de una forma coherente y fiable, cada material utilizado debería tratarse de formas distintas para llegar a la correcta producción del pellet. Hoy en día cada continente dispone de sus propios estándares en la fabricación del pellet como Estados unidos y Europa. En Europa prácticamente cada país dispone de un estándar diferente basado en el tamaño y potencia calorífica del pellet. Estas realidades hacen prácticamente imposible producir un producto que sea apto para todos los países del planeta pero también hay que remarcar de que dicha variación de estándares hacen que uno mismo deba decidir y fabricar su propio producto tal cual considere necesario respecto a la materia prima disponible. Hasta hace poco el estándar Europeo único era un pellet de calidad DIN y DIN PLUS, X, doble X y triple X, pero si hacemos una pequeña búsqueda por internet de éstas certificaciones nos damos cuenta que cada país ha inventado sus propios estándares que cambian con frecuencia. Estándares mundiales promedio: PARAMETROS DIAMETRO LONGITUD DENSIDAD HUMEDAD CENIZA PODER CALORIFICO S N CL AS Cd Cr Cu Hg Pb Zn Aditivos UNIDADES mm mm kg/mᶟ % masa % masa MJ/Kg % masa % masa % masa mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg % masa CIN51731 4 - 10 <5 1 - 1.4 < 12 < 1.5 17.5 - 19.5 < 0.08 < 0.3 < 0.03 < 0.8 < 0.5 <8 <5 < 0.05 < 10 < 100 - DIN PLUS Especificar < 5 * Diametro > 1.12 <10 < 0.5 > 18 < 0.04 < 0.3 < 0.02 < 0.8 < 0.5 <8 <5 < 0.05 < 10 < 100 < 2.0 8 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION En la tabla anterior podemos ver los estándares promedio, pero al igual, existen estándares para cada país como por ejemplo: • Alemania: DIN 51731 (2000) y DIN PLUS además se clasifican en 5 grupos diferentes. • Suecia: SS 187120 (1998) – y además se clasifican en 3 grupos • Italia: CTI R04/05 (2004) y además posee varias categorías – A1, A2, etc. • Dinamarca: Calidad HP y con 4 diferentes calificaciones. • Finlandia: Posee unas guías básicas para el buen hacer del pellet sin seguir normas específicas. • Austria: ÖNORM con siete variaciones. • Holanda: NTA 8200 – una lista de buenas prácticas para la fabricación del pellet. • Con todo esto queremos decir, que las normas son tan diversas como variopintas con lo cual nadie sabe exactamente a qué atenerse a la hora de fabricar el pellet o para quién. • En el año 2010 se establecieron unas normas europeas EN, elaboradas por un comité llamado EUBIONET quién rige todas éstas cuestiones y establece unas reglas de tamaño y composición. Solo vamos a mencionar las reglas del tamaño. Si se desea saber más sobre las otras normas EN 14961, pueden visitar la página en inglés de EUBIONET. Los pellets quedan clasificados de la siguiente manera: ESPESIFICACION DE UNIDAD DE PELLET MEDIDA D 06 mm D 08 mm D 10 mm D 12 mm D 25 mm Diametro Longitud 6 ±1.0 8 ±1.0 10 ±1.0 12 ±1.0 25 ±1.0 3.15 ≤ L ≤ 40 3.15 ≤ L ≤ 40 3.15 ≤ L ≤ 40 3.15 ≤ L ≤ 40 10 ≤ L ≤ 50 L Longitud D Diametro Como podemos observar, un pellet considerado de 6mm, quedan como correctos – más/menos – un milímetro, quiere decir que un pellet con diámetro 5 ó 7 también se consideran pellet de 6 mm. 9 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION La durabilidad mecánica del pellet, La durabilidad mecánica sencillamente se refiere con la calidad y densidad con la cual el pellet se ha formado al final del proceso de fabricación, evidentemente, cuanto más denso, más fuertes y cuanta más densidad se pretende conseguir, tendremos una menor producción junto con un aumento de los costos para producir dicho material. La conclusión es que hay que conseguir una calidad aceptable al mínimo costo posible. Cuanto más fuerte y denso el pellet producido, menor es el daño producido durante el transporte y más calorías se consigue en una cámara de combustión. El pellet debe de tener una superficie suave y sin roturas. Si el pellet tiene roturas y grietas significa que la humedad con la cual ha sido producido es demasiado alta o una compresión demasiado pobre, con lo cual la humedad ha de ser reducida hasta un nivel óptimo y si fuera el caso de una pobre compresión, cambiar la plantilla para obtener una mayor compresión. Una vez que el pellet se haya enfriado debe de mantener su superficie brillante y suave. El brillo del pellet es una cuestión aleatoria ya que cada materia prima politizada tiene su propio brillo, ser mate, opaco, etc. Con lo cual podemos afirmar que unos pellets brillan más que otros dependiendo del material inicial y no quiere decir necesariamente que la calidad es inferior. La cuestión importante es que el pellet sea compacto con una densidad aceptable. La largura del pellet no es una cuestión importante hasta cierto punto, pero un pellet demasiado largo puede causar daños en una estufa. Contenido de humedad en el pellet terminado Cuanto menos humedad tenga un gránulo de pellet al final de su proceso de fabricación, más energía poseerá en su interior pero desgraciadamente, se necesita un determinado porcentaje de agua para el proceso del peletizado. Con lo cual hay que peletizar con el menor grado de humedad posible para crear un pellet de calidad. El contenido de un pellet enfriado y seco debe de ser inferior a un 10% poseyendo una densidad óptima, pero no debemos de olvidar que todo esto hay que realizarlo al menor costo y eficiencia posible. Producción de pellets de biomasa. Una producción y el proceso óptimo de pellets de biomasa dependen básicamente de la materia prima disponible. La materia prima es muy importante por las siguientes razones: 10 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION 1. Cada material tiene diferentes valores caloríficos, residuos, cenizas y cualidades corrosivas únicas. 2. Cada material ha de ser preparado de forma diferente para su transformación en pellets de calidad, teniendo en cuenta la humedad, tamaño de la partícula, tipo de biomasa y sus características físico químicas. Sabiendo de las diferentes clases de materia prima que disponemos de antemano, buscar la mezcla y preparaciones más óptima y continuada para que el pellet fabricado sea de calidad de acuerdo con las normas existentes. 3. La densidad del la materia prima inicial es muy importante para la cantidad de producción del combustible. 4. Cualquier materia prima viva o muerta que se pueda utilizar para fabricar pellets destinado a ser combustible, se le denomina Biomasa. Esto incluye cualquier resto de desecho de la madera como podas, serrines, limpieza de campos, hierba, paja, hojas, las propias cortezas incluyendo también por ejemplo restos orgánicos de animales como pueden ser los purines previamente deshidratados, cáscara de almendra, hueso de aceituna por sólo nombrar unos pocos. El proceso de peletizado paso a paso. A continuación se presenta de forma general el proceso de la creación de un pellet de calidad paso por paso nombrando la maquinaria necesaria en cada etapa y los principios básicos fundamentales, entre otros puntos. Los procesos básicos son los siguientes: 1. Reducción y adaptación del tamaño inicial de la materia prima: Trituradoras de rodillo, trituradoras de martillo, trituradoras mixtas, etc. 2. Transporte del material a diferentes máquinas: Ventiladores, ciclones, transportadores de cinta, transportadores de tornillo, cubos elevadores, separadores. 3. Secadoras: Secadoras de tambor, secadoras por conductos de aire. 4. Mezcladores: Mezcladoras de rodillo simple o de múltiples rodillos. 5. Acondicionado: Acondicionado con agua y vapor, aditivos para agilizar la producción, aditivos ligantes, aditivos de predigestion. 11 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION 6. Producción de pellet: Peletizadoras de plantilla plana y peletizadoras anulares con plantilla de anillo. 7. Cribado y seleccionado: para la eliminación de partículas pequeñas y el polvo. 8. Enfriado: Enfriadoras de cinta, enfriadoras con aire. 9. Almacenado a Granel: Tolvas de almacenamiento 50, 100 ton, Silos de almacenamiento a granel 50, 100,500, 1000 toneladas.etc. 10. Empacado y almacenado: Bolsas de 15 kgs, big bags 500 – 1000 kg,. Requisitos de potencia, La producción de pellet es un proceso intensivo que requiere de mucha demanda de potencia eléctrica, pero podemos decir, que el fin justifica los medios. Las trituradoras y las peletizadoras son la maquinaria que más demanda tienen de energía lo que significa que necesitarán de una conexión eléctrica trifásica de alta tensión minima de 500kva. Situación de la planta de producción, La situación ideal de una planta de producción es estar lo más cercano posible donde se encuentre la materia prima para ahorrar en costos de transporte, hecho que lógicamente no siempre es posible porque la planta ha de estar ubicada en un lugar donde se tenga acceso a la electricidad trifásica. También hay que tener en cuenta la maquinaria que se va a utilizar en una planta de producción de pellet como por ejemplo, que esté situado en un lugar donde tengamos acceso con maquinaria pesada como pueden ser camiones, gruas, etc. 3. El proceso de producción: Reducción de la materia prima: Aunque la materia prima inicial sea hierba, madera, paja o cualquier otro tipo de biomasa, ha de ser reducido a un tamaño lo suficientemente uniforme y pequeño para poder ser utilizado en la máquina peletizadora. La norma general es que el tamaño de la partícula ha de ser menor que los orificios de la plantilla existente en la peletizadora. Tomemos por ejemplo que para la producción de pellets de 6 mm el material triturado debe de tener un tamaño menor a 6 mm y para ello disponemos de diversas trituradoras de leña y cada una de ellas tiene distintas habilidades, finalidades y potencias. Hay casos en que se necesitan dos máquinas para lograr una finalidad y en otros casos solamente una. Antiguamente se precisaban siempre de dos máquinas para reducir un tronco al estado de serrín pero con las nuevas generaciones y diseños 12 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION solo se necesita una máquina en la mayoría de los casos dependiendo siempre del estado de la materia prima inicial. Tamaño de la partícula y el efecto sobre la calidad final del pellet, La regla general como ya hemos mencionado es reducir la materia prima inicial a un tamaño de partícula inferior al diámetro final del pellet que vamos a producir. Las razones son para evitar daños a los componentes de la peletizadora como rodillos y plantilla a su vez reduciendo las posibilidades de bloquear los orificios de la extrusora con lo cual, una partícula más pequeña es estrictamente necesaria para una continua y segura producción de pellet de buena calidad aunque también influyen elementos como el acondicionado y la temperatura de entrada del material que más tarde abordaremos en ésta guía. El serrín en polvo, al menos basándonos en nuestra experiencia, es mucho más difícil de peletizar necesitando en algunos casos incluso de una plantilla específica. Podemos concluir que la partícula final depende de la máquina que se haya elegido en función de su materia prima inicial, pero no podemos olvidar que existen limitaciones y consideraciones lógicas respecto al balance entre producir el tamaño de partícula más eficiente manteniendo el consumo energético al mínimo posible que evidentemente influyen en los costes de producción. Todo esto depende también del tipo de material que vayamos a utilizar en función del uso final al que estarán destinados los pellets, si el uso es doméstico ó industrial. Producir un pellet de mayor diámetro se traduce en un aumento en la producción, en un desgaste menor de la maquinaria con un consumo eléctrico igual ó inferior a producir pellet de diámetro más pequeño. Transporte de material en proceso de máquina a máquina, Una vez que hayamos concluido el proceso de reducir el tamaño del material hasta cubrir nuestras necesidades, las partículas trituradas ó el serrín han de transportarse hasta el siguiente proceso que puede ser SECADO, MEZCLADO, ACONDICIONADO ó simplemente directo a la peletizadora. Para recoger el material disponemos de varios métodos como por ejemplo con un ciclón separador, tornillos sinfín (bazucas), bandas transportadoras ó elevadores de canjilon. Ciclón separador: 13 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION • Una vez que el material haya sido pulverizado con una trituradora de martillo y haya pasado a través de su malla un ventilador mecánico accionado por el mismo motor de la trituradora aspira el material soplándolo hacia el ciclón. La función de un ciclón es separar el aire del material triturado que expulsa por la parte superior del mecanismo a través de una salida y la materia prima es introducido hacia las paredes del cono que cae a la parte inferior por gravedad saliendo al exterior para ser recogido por el siguiente transportador de un modo muy parecido a una común aspiradora doméstica que funciona sin bolsas. Tornillo sinfín o transportadores de cinta: • Sirven para transportar la materia prima de un proceso al siguiente. • En el proceso del transporte del material triturado de una máquina a otra, los transportadores de tornillo son los más populares por el poco espacio que utilizan, un relativo bajo peso y disponen de motores de velocidad fija o variables para adaptar el transporte a la producción de la peletizadora. Es una solución ideal a bajo precio para el transporte de un proceso a otro. Siempre son más aconsejables los tornillos sinfín de velocidad variable para adaptarse a la producción del momento o incluso si se ampliara más adelante la producción de la planta, por ejemplo añadiendo una nueva peletizadora ó una potente secadora, siempre lo podremos seguir utilizando sin tener que comprar nuevos motores más rápidos para adaptarnos a la nueva producción. • En la entrada del tornillo transportador, normalmente nos encontramos con un cubo de entrada, que siempre debemos estar seguro que su anchura y tamaño es la adecuada a la materia prima que transportaremos ya que si no lo es, podemos encontrarnos con que en dicho cubo, pueda formarse una cueva interna que no es notorio a simple vista pero dicha cueva hará que el material deje de caer en el tornillo, con lo cual tampoco estaremos alimentando la peletizadora adecuadamente, por eso se recomienda probar antes el tornillo sinfín con nuestro material que utilizaremos para producir el pellet y comprobar hasta donde es capaz de admitir material sin producirse una cueva. Una alternativa para evitar la cueva es añadir un vibrador a la entrada del tornillo sinfín. 14 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION Soluciones para el secado, Para producir pellets de alta calidad la humedad de la materia prima utilizada debe de ser siempre hablando en términos generales entre el 10 y 20%. Casi todos los pellets de alta calidad que se produce en el mundo con materiales conocidos tienen un porcentaje en el momento de peletizarse una humedad entre el 10 y el 15%. Como ya comentamos anteriormente, el mejor productor es aquel que experimenta antes con el material del cual dispone para sacarle el mayor rendimiento a la maquinaria, producto y adquirir conocimiento. Por regla general la materia prima que contenga una humedad superior al 20% debe de ser secado o mezclado con un material más seco para reducirla. Reducir la humedad utilizando el sol: • El secado es un proceso muy costoso en utilización de energía con lo cual la conclusión es, que el material perfecto es aquel que no requiere del secado. Desde luego que existen materiales como la paja, la hierba seca o poda que se ha secado en pleno campo por una temporada anterior que pueden ser recolectados directamente con una humedad ideal directa para el peletizado, pero por ejemplo el resultado de una poda reciente, o material verde puede llegar a tener hasta un 60% de humedad lo que el proceso de secado se convierte en algo necesario y no es una opción. Casi siempre la opción del secado por el sol se infravalora y no se suele tener en cuenta lo cual creemos que es un gran error puesto que el sol es una energía gratuita. Es cierto que un proceso de secado por el sol lleva mucho más tiempo pero existen diseños de secadores solares que reducen éste tiempo tan incómodo. También hay que tener en cuenta, que un tronco lleva mucho más tiempo de secado por el sol, que si éste lo redujéramos primero a astillas o a serrín, pero el serrín es más incómodo de manejar y al ser más denso, no permite una circulación de aire satisfactoria así que la mejor opción para un secado al sol, sea al aire libre o sea dentro de un secador, es tenerlo en formato astillado. • Una vez que las astillas tengan la humedad ideal para el peletizado, es cuando debemos reducir su tamaño a serrín. La velocidad de secado al sol se reduce a medida que se reduce el porcentaje de humedad, con lo cual queremos decir, que es más rápido reducir desde un 30% a un 20% al sol que de un 20% a un 10%, que se 15 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION tarda más tiempo. Por eso, por el tiempo que se toma en reducir ésta humedad de la última etapa podemos utilizar una secadora a combustible, sea madera, gasoil, pellets, gas, etc, para reducir de un 20 a un 10% ó inferior, pero evidentemente, reducir al sol el máximo posible de humedad reduciremos costos en combustible. Fuentes de calor, • Algunas secadoras en el mercado utilizan como fuentes de calor quemadores de gasoil o gas pero evidentemente en un mercado como el actual, que cada vez se dirige más hacia las energías renovables, tales fuentes reducen nuestra marca o intenciones de ser productores de materias primas amigas del medioambiente y “poco verdes” utilizando como el gas o el gasoil para producir nuestro producto lo cual no dice nada bueno respecto a nuestras intenciones. Por eso pensamos que la forma más económica de tener calor en nuestra secadora, es usar parte de nuestra propia producción de pellets o parte de nuestra materia prima. Acondicionado, Para producir pellets de calidad la materia prima debe de tener ciertas cualidades. Una peletizadora es muy similar a una ecuación matemática o un plato de cocina, queremos decir, que el pellet que saldrá de una peletizadora, será tan bueno como la materia prima que ha entrado en ella. Una peletizadora es básicamente una cocina, que aplica presión y calor a la materia prima, pero generalmente no se sabe ni se concibe lo delicado que es el proceso y funcionamiento de una peletizadora. Una vez que hayamos mezclado nuestra materia prima para obtener una buena consistencia, posiblemente nuestra receta necesite de otros elementos para producir pellets de calidad. Existen aditivos que incrementan la producción de la peletizadora. Para entender bien el proceso del acondicionado, hay que entender primero cuales son las cualidades que tiene la materia prima para producir pellet. La humedad es una de dichas cualidades pero también están las cualidades de la temperatura y la adhesividad del material. 16 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION Porcentaje de humedad, Para producir pellets existe un mínimo de tolerancia a la humedad y un máximo. Cada tolerancia es específico a la materia prima que estamos utilizando, queremos decir que cada materia, tipos de biomasa o mezclas que realicemos soportan ó funcionan mejor con un determinado grado de humedad específicas a cada una de ellas y nuestro trabajo como productores consiste en descubrir cuales son antes de producir el pellet ó sencillamente probar diferentes humedades hasta dar con la correcta. En ésta cuestión no existen fórmulas matemáticas mágicas válidas para todas las biomasas. También influye el tipo de peletizadora que vamos a utilizar pero podemos decir que existe un porcentaje medio que funciona con casi todo y es entre el 10% y el 15% de humedad, pero como ya comentamos, esto no es así en todos los casos, y debemos tomarlo como una norma general. El hecho de que una máquina no produzca un pellet de forma correcta entre éstos rangos de humedad debemos buscar solucionar el problema reduciéndola, aumentándola ó cambiando la plantilla o dado de pelletizado por otra de mayor ó menor compresión, cambiando el diámetro del serrín reduciéndola ó aumentándola, etc. Por supuesto, para saber qué porcentaje de humedad tenemos, necesitamos disponer de un medidor de humedad. Cualidades de Lignina (adhesivo natural), La lignina es el pegamento que mantiene unido el pellet y le da el aspecto brillante y suave. Muchas materias primas, es decir, muchas biomasas disponen de éste pegamento de forma natural llamado LIGNINA y disponen de ella de forma suficiente como para ligar el material con el calor de la peletizadora en el momento de comprimirse. Si la biomasa que estamos utilizando no dispone de suficiente cantidad de lignina en su estado natural, siempre podemos utilizar un aditivo o un predigestor, y el aditivo más sencillo y natural es simplemente aceite vegetal, pero debemos añadir a esto, que un pellet formado con sólo aceite vegetal como un agente ligante tendrá una menor densidad que otros pellets puesto que el aceite también actúa como un lubricante con lo cual la materia prima pasará más rápidamente a través de la plantilla reduciendo su compresión. 17 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION Densidad del material: El pellet se forma por calor y compresión proporcionándole la densidad adecuada y esto lo dictamina la plantilla o dado de la peletizadora. La densidad del material evidentemente es una gran influencia sobre un pellet de calidad. Las materias primas con una alta densidad natural como las maderas duras requieren más temperatura y presión para formar el pellet pero actúa en detrimento a la cantidad de pellet producido por hora. Por otro lado los materiales con una baja densidad natural como las cascaras de grano, la paja, cañas,rastrojos etc pueden aumentar de forma considerable la productividad de la peletizadora pero podemos obtener un pellet poco denso y quebradizo. Algunos materiales con baja densidad y con poca lignina natural pueden ser un problema a la hora de peletizar puesto que pueden ahogar la plantilla y atascarla puesto que la peletizadora no llega a crear la suficiente temperatura para comprimirlos adecuadamente. Acondicionado con vapor e incrementar productividad, Tal como hemos descrito en las cualidades del ligado, la madera suele contener la suficiente lignina natural que actúa como un solo ligante sin necesidad de aditivos. La lignina natural de las maderas, con el calor y la presión de la peletizadora, se derrite y es el momento donde se forma realmente el pellet y una vez que el pellet se ha enfriado, se endurece ésta lignina constituyendo un pegamento natural para un pellet fuerte y con alta durabilidad en el tiempo. La lignina también es el elemento que proporciona brillo y suavidad a su superficie. Para ayudar en todo el proceso del prensado del pellet, podemos incrementar la productividad añadiendo un acondicionador de vapor, donde la materia prima inicial es expuesta antes de entrar a la cámara de compresión de la peletizadora, digamos, a un baño de vapor. El vapor sólo añade una pequeña cantidad de humedad a la materia prima, y se usa principalmente para pre-calentar el serrín para ayudar a la lignina a ablandarse antes de entrar a la cámara de compresión. Tras el acondicionado a vapor, la materia prima penetra en la cámara de la peletizadora con la lignina más blanda, y se formarán pellets de mayor calidad y brillo además de incrementarse la producción puesto que la materia prima ofrecerá menor resistencia a la compresión, precisamente por este estado de, llamémoslo, pre-ablandado ó pre-calentado. 18 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION Tolerancias de la peletizadora, Si añadimos materiales oleaginosos a nuestra materia prima inicial podemos aumentar las tolerancias de nuestra peletizadora con respecto al control de la humedad. El añadido de materiales aceitosos puede reducir en gran medida el riesgo de atasco en la plantilla reduciendo la probabilidad de que nuestro pellet tenga una baja calidad. El acondicionado es una opción que en las producciones de pellet a pequeña escala está totalmente ignorada y no se contempla por los altos costos de una caldera de vapor pero está sobradamente probados los beneficios que nos proporciona un buen acondicionado a nuestro producto final, pero además juega un gran papel en la reducción de la energía que utilizamos con lo cual al mismo tiempo de aumentar la producción, mejoramos el producto y ahorramos costos en consumo energético y desgaste de la maquinaria. Producción del pellet, Existen dos tipos principales de peletizadoras, las peletizadoras de plantilla plana y las peletizadoras anulares. En primer lugar aparecieron las peletizadoras de plantilla plana y más adelante aparecieron la maquinaria con plantillas anulares, es decir, con forma de un anillo rodeado de agujeros. La plantilla plana en principio se utiliza para producciones pequeñas y medianas pero hoy en día existen tantas maquinarias de plantilla plana como cantidades de producción deseadas. Las peletizadoras de plantilla anular son la maquinaria preferida para los productores de miles de kilos por hora precisamente por los costos que con lleva producir una peletizadora pequeña anular que no compensan para producciones pequeñas. Plantilla anular – Plantilla plana Peletizadoras de plantilla plana, Las peletizadoras de plantilla plana funcionan por un principio muy básico que es que la materia prima cae por gravedad sobre los rodillos que rotan en el interior de la peletizadora sobre la 19 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION plantilla. La materia prima es comprimida entre los rodillos y la plantilla, el sistema básicamente es el mismo principio del molino piedra para producir aceite de oliva en las antiguas almazaras. La materia prima es comprimida pasando por una serie de orificios alargados en la plantilla llamado extrusión y a la salida son cortados por una cuchilla, que dependiendo del uso al que se les vaya a dar, las cuchillas son reguladas en altura para darle un tamaño u otro. Unos funcionan con correas y una polea, otros con transmisiones a una caja de cambios y otras una mezcla de ambas. Se utilizan dos tipos de sistema de peletizado: 1. La plantilla rueda y los rodillos ruedan estáticamente sobre ella sin cambiar de posición. 2. La plantilla es fija y los rodillos dan vueltas ella. Este segundo sistema disminuye los posibles atascos además de servir mejor para el procesado de maderas. El primer sistema lo recomendamos para alimentos de ganado, fertilizantes, etc. Ventajas de las peletizadoras con plantilla plana, Las peletizadoras de plantilla plana son cada vez más comunes y recurridas, especialmente en escalas pequeñas de producción. Existen muchos comerciantes que comercializan éste tipo de producto en el mercado que las venden para el procesado de materiales de baja densidad y comida para animales, fertilizantes etc. Las máquinas casi todas están fabricadas en China y no recomendamos su uso para maderas, al menos las máquinas denominadas como peletizadoras domésticas. Desventajas de las peletizadoras de plantilla plana, Debido a los principios con los que funcionan éste tipo de peletizadoras, las cargas de trabajo sobre los rodamientos y ejes son desiguales ya que los orificios, al estar situadas de forma concéntrica sobre un circulo plano, la carga de presión no son las mismas en la parte interna de la plantilla que en la parte externa por lo que se desplazan también estas diferencias de carga sobre rodamientos y ejes. Por ésta razón recomendamos las peletizadoras de plantilla fija que por defecto vienen de fábrica ejes mucho el doble de anchos soportando mejor éstas presiones que las peletizadoras de plantilla móvil, es por eso que recomendamos, las peletizadoras de plantilla móvil, se utilicen sólo para fertilizantes y similares, y ni siempre de 20 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION forma doméstica. Para un uso industrial recomendamos las peletizadoras de plantilla fija sea para el material que sea. Peletizadoras anulares, Las peletizadoras anulares o comúnmente llamados de anillo están compuestos por un anillo móvil situado de forma vertical con unos rodillos internos fijos que aplican la presión contra las paredes internas del dicho anillo que es donde están situados los orificios. El material es alimentado a través de un acondicionador sobre la máquina. La materia prima entra en el frontal del aparato hacia el centro del anillo a través de un tornillo sinfín. El interior del sistema es similar a una lavadora. Una vez el material es oprimido en contra de las paredes del anillo giratorio, los pellets surgen por la parte exterior de la plantilla a través de los orificios. Ventajas de las peletizadoras anulares, En primer lugar las peletizadoras anulares no sufren de forma desigual la carga de la compresión porque no existe un margen interior ni ningún margen exterior como las plantillas planas ya que el rodillo comprime ejerciendo siempre la misma presión por toda la superficie de igual manera. Por ésta razón las peletizadoras anulares son preferidas en fábricas de grandes producciones por hora aunque el precio de los consumibles sean mucho más altos que las peletizadoras de plantilla plana. También se prefieren más en las grandes producciones porque son eléctricamente más eficientes por las cantidades que produce cada máquina por que los rodillos y plantilla sufren menos desgaste ya que al usar toda la superficie útil de la misma manera, no existe el deslizamiento que hay en las peletizadoras de plantilla plana que hace que la máquina consuma más electricidad. Por otro lado, las peletizadoras anulares son muchísimo más difíciles de controlar para obtener un resultado óptimo en todo momento. 21 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION Sistema de peletizado con plantilla anular. 22 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION 4. Proyecto de investigación 220345 Proyecto: ¨PLANTA PILOTO EXPERIMENTAL PARA LA ESTANDARIZACION DE PELLETS DE BIOMASA DE RASTROJO DE MAIZ PARA USO COMO COMBUSTIBLE¨ 5. Objetivos del Proyecto Objetivo General, INSTALACIÓN DE PLANTA PILOTO EXPERIMENTAL PARA EVALUAR LA FACTIBILIDAD DE TRANSFORMAR RASTROJOS DE MAÍZ EN COMBUSTIBLE SÓLIDO PELETIZADO DE BIOMASA. Objetivo Especificos, - Obtener el conocimiento necesario sobre las características y capacidades del rastrojo de maíz como combustible. Obtener el conocimiento del proceso de preparación y predigestion del rastrojo de maíz para procesarlo en pellets. Lograr la factibilidad positiva de que el rastrojo de maíz tiene viabilidad y factibilidad suficiente para usarse como combustible sólido pelletizado de biomasa. Encontrar la factibilidad positiva de que el rastrojo de maíz tiene la viabilidad y factibilidad suficiente para procesarse en forma de pellets en proceso de alto volumen. Breve descripción del Proyecto, El presente proyecto ofrece una solución innovadora, económica, ambiental y socialmente amigable para varios problemas importantes que aquejan a la región occidental del estado de chihuahua, específicamente la ciudad de Cuauhtémoc y sus alrededores y que por largo tiempo han afectado a los habitantes de la región. Estos problemas son los siguientes: falta de un combustible adecuado para la protección contra heladas tardías que ponen en riesgo la producción de manzana. la excesiva contaminación causada por la quema de diesel en los calentones de las huertas manzaneras. 23 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION - los altos costos por el uso de diésel en los calentones usados en las huertas. 450 mil toneladas de esquilmos (rastrojo) subproducto del cultivo del maíz convertido en un estorbo para los productores. la contaminación generada por la quema de rastrojo hecha por los agricultores para eliminarlos del campo de cultivo. la necesidad de una fuente de calor económica para las familias de la región occidental del estado de chihuahua. Sorprendentemente todos estos problemas pueden ser solucionados o mitigados con el uso del combustible de biomasa peletizada de rastrojo de maíz. Este combustible en forma de pelet ofrece una fuente de calor muy eficiente y de alto poder calorífico, tanto que al quemarse prácticamente no produce humos contaminantes. El proceso de fabricación, una vez que ya se tiene bien controlado, es relativamente barato y la materia prima es el desecho de los cultivos de maíz, dándole un uso práctico e inteligente y evitando su quema contaminadora e improductiva. a continuación damos un panorama completo del contexto que enmarca este proyecto. Chihuahua es el principal productor de manzana del país con una aportación de más del 60% de la producción nacional. Cuenta con cerca de 16 mil hectáreas plantadas y más de 1,600 productores, esta actividad genera ingresos por más de 6,500 millones de pesos por año (unifrut 2012). Las bajas temperaturas (heladas) que se presentan en la primavera generan la necesidad de utilizar diferentes sistemas de calefacción para evitar que el fruto se dañe. los gastos en combustible representan hasta el 30%del costo de producción, además los combustibles usados para este propósito son altamente contaminantes para el ambiente, las huertas rodean entre otras las ciudades de Cuauhtémoc, la junta, col. Álvaro Obregón, Anáhuac y Guerrero provocando una gran contaminación ambiental. esta región, ubicada al noroeste del estado, es también la principal productora de maíz amarillo del país, con aproximadamente 1,900 productores que cosechan más de 55 mil hectáreas cada año y que alcanzan en promedio anual, una producción de más de 1 millón de toneladas de grano, generando más de 450 mil toneladas de esquilmos (rastrojo de maíz) por año (sagarpa 2012) los cuales no tienen un uso definido por lo que una vez cosechado el maíz los agricultores tienen el problema de eliminarlo, quemándolo al final de la cosecha, provocando gran contaminación al ambiente y causando efectos muy dañinos en las microflora y microfauna del suelo. Esta quema es la manera más barata para el agricultor de eliminar los residuos de su cosecha, cualquier otra alternativa tiene un costo adicional que no están dispuestos a cubrir, prefiriendo pagar las multas que el municipio les establece. Al lograrse los resultados esperados en el presente proyecto se tiene disponible una alternativa tangible a la solución de esta problemática de una manera integral, pues se lograría la fabricación de un nuevo combustible de biomasa de rastrojos de maíz para proteger de las heladas en huertos frutales. Este es un combustible sólido, que además de no ser contaminante probablemente será más barato que los combustibles que se utilizan actualmente. además 24 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION podrá ser utilizado para calentar las viviendas de aquellas personas que buscan alternativas más económicas de calefacción. 6. Instituciones Vinculadas, CENTRO DE INVESTIGACION EN ALIMENTACION Y DESARROLLO AC Descripción de la participación, Evaluación del potencial de rastrojos de maíz de las zonas maiceras del estado de chihuahua para la producción de biocombustibles sólidos peletizados, lo cual pueda permitir el mejor aprovechamiento de subproductos proporcionándoles un valor agregado, la erradicación de acumulaciones nocivas con sus consecuencias indeseables (i.e. quemado al aire libre de rastrojos de maíz) y sobre todo el desarrollo de fuentes alternativas de energía renovables que representen una opción económicamente viable tanto para usos agrícolas (control de heladas) como para su uso doméstico (calefacción). UNIVERSIDAD AUTONOMA DE CIUDAD JUAREZ Descripción de la participación, Evaluación del proceso analizando costos de producción relativos al consumo de materias primas y consumos de energía. Determinación de la eficiencia del proceso y los índices de rendimiento. Análisis de viabilidad económica de la sustitución del diésel y gas LP por Pellets de rastrojo en las huertas manzaneras. 7. - - - Actividades Realizadas, Compra de materiales y equipo para la instalación de la planta piloto. peletizadora, molino, caldera, dado peletizador, enfriador, mezclador, etc. Construcción e instalación de la planta piloto y habilitación de laboratorio. Básicamente se trata de la instalación de equipos y puesta en marcha de la planta y realización de las primeras corridas de prueba. Evaluación y análisis del rastrojo de maíz como potencial combustible de biomasa (características fisicoquímicas, poder calorífico, combustibilidad y emisiones estandarización del proceso, a través del método experimental (prueba-error), para transformar el rastrojo de maíz en pellets de biomasa que cumplan con las normas internacionales para ser utilizados como combustible análisis y evaluación para el escalamiento industrial del proceso. Evaluación de costos de fabricación del producto y comparativos contra los combustibles existentes y análisis de factibilidad técnico y planta piloto para la fabricación de pelets. Desarrollo final de un proceso óptimo de tratamiento del rastrojo de maíz para formar pelets de rastrojo de maíz. 25 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION - - Tabla comparativa de las características físico químicas del pelets de rastrojo de maíz vs normas internacionales. Tabla de resultados de las características de combustibilidad del pelets de rastrojo de maíz (combustibilidad, ceniza, poder calorífico, temperatura máxima). Tabla de resultados de la evaluación de pelets de rastrojo de maíz fabricados en una línea piloto experimental de producción a alto volumen (capacidad 1 ton por hora) la cual nos muestre los resultados de productividad, consumo de energía eléctrica, tiempos muertos, ajustes requeridos, rendimientos, eficiencias alcanzables y calidad de producto resultante basándonos en las normas internacionales de producción y manejo de pelets de biomasa. Tablas comparativas de costos del pelets de rastrojo de maíz y los combustibles convencionales que refleje el costo por kilo, poder calorífico kcal/kg, precio por kcal. Resultados comparativos de emisión de gases contaminantes, CO y CO2, del combustible peletizado de rastrojo de maíz vs combustibles convencionales. 26 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION 8. Resultados Planta Piloto Experimental Basándonos en los procesos básicos convencionales para la producción de pellets de biomasa, Se adquirió e instalo una planta piloto experimental completa de fabricación de pellets de biomasa con capacidad de 1 tonelada por hora para el desarrollo de un proceso y formula óptimas para la producción de pellets de Rastrojo de Maíz que cumplan con las normas internacionales de producción de pellets de biomasa. Esta planta piloto experimental consiste en lo siguiente: CANTIDAD 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 EQUIPO TRANSPORTADOR DE RODILLOS MOLINO TRITURADOR DE FORRAGES CONTENEDOR DE MATERIAL MILIDO TRANSPORTADOR DE CADENA 5HP MAQUINA MEZCLADORA DE FORRAGE MAQUINA DOSICIFICADORA BANDA TRANSPORTADORA BANDA TRANSPORTADORA MAQUINA PELLETIZADORA BANDA TRANSPORTADORA BANDA TRANSPORTADORA MAQUINA DE ENFRIAMIENTO DE PELLET BANDA TRANSPORTADORA CRIVADORA DE POLVOS BANDA TRANSPORTADORA TOLVA CON BASCULA DE AQUINTALADO BANDA TRANSPORTADORA ELEVADOR DE CANJILON TRANSPORTADOR DE GUSANO DEPOSITOS DE PRODUCTO TERMINADO A GRANEL TRANPORTADORES DE GUSANO CRIVA DE POLVOS BANDA TRANSPORTADORA APLICACIÓN CAPACIDAD TRANSPORTE DE PACAS DE RASTROJO AL MILINO TRITURADO DE LA MATERIA PRIMA RASTROJO DE MAIZ DEPOSITO DE MATERIAL MOLIDO EN PROCESO TRANSPORTE DE MATERIAL EN PROCESO A LA MEZCLADORA MEZCLA, ACONDICIONADO Y PREDIGERIDO DEL MATERIALMOLIDO DOSIFICADO DE ADITIVOS E INGREDIENTES PREDIGESTORES TRANSPORTE DE INGREDIENTES ADICIONALES A LA MAQUINA MEZCLADORA TRANSPOTE DEL MATERIAL MEZCLADO EN PROCESO A LA PELLETIZADORA FORMADO DEL PELLET TRANSPORTE DEL PELLET FORMADO A LA BANDA DE CARGA DEL ENFRIADOR TRANPORTE DE PELLET FORMADO A LA MAQUINA DE ENFRIAMIENTO ENFRIADO Y SECADO DEL PELET FORMADO TRANSPORTE DE PELLETS ENFRIADO A LA CRIVADORA DE POLVOS LIMPIEZA DEL PELLET TERMINADO PARA SU ENPAQUE O ALMACEN A GRANEL TRANSPORTE DE PELLETS LIMPIO (CRIVADO) A LA ROLVA DE AQUINTALADO AQUINTALADO EN SACOS DE 40.0 A 1000.0 KG TRANSPOTE DEL PELLET LIMPIO A LA TOLVA DEL ELEVADOR DE CANJILON TRANSPORTE DEL PELLET TERMINADO PARA ALMACEN A GRANEL TRASPORTE DEL PELLET TERMINDO A LOS DEPOSITOS DE ALMACEN A GRANEL ALMACEN DEL PRODUCTO TERMINADO A GRANEL DESCARGA DEL MATERIAL ALMACENADO AGRANEL CRIVADO DE PELLET ALMACENADO A GRANEL PARA ENVASAR TRANSPORTE DE PELLETS PARA ENVASADO 4 TON/HR 4 TON/HR 100 TON 1 TON/HR 1 TON/HR 150 KG/HR 150 KG/HR 1 TON/HR 1 TON/HR 1 TON/HR 1 TON/HR 4 TON/HR 1/TON/HR 1 TON/HR 1 TON/HR 2 TON/HR 1 TON/HR 1 TON/HR 1 TON/HR 500 TON 1 TON/HR 1 TON/HR 1 TON/HR 27 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION Distribución de la Planta 28 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION 29 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION Proceso óptimo para la peletizacion del Rastrojo de Maíz La producción y el proceso óptimo de pellets de biomasa dependen básicamente de la materia prima disponible. La materia prima es muy importante por las siguientes razones: Cada material ha de ser preparado de forma diferente para su transformación en pellets de calidad, teniendo en cuenta la humedad, tamaño de la partícula, tipo de biomasa y sus características físico químicas. Sabiendo de las diferentes clases de materia prima que disponemos de antemano, se debe buscar la mezcla y preparaciones más óptima y continuada para que el pellet fabricado sea de calidad de acuerdo con las normas existentes. La densidad de la materia prima inicial es muy importante para la cantidad de producción del combustible. El Rastrojo de Maíz posee un alto contenido hemicelulosas y un bajo contenido de lignina como se puede observar en las tablas de composición fisicoquímica anteriores, lo que lo hacen más difícil de pelletizar que las biomasas maderables, precisando de un proceso espesifico y del uso de aditivos lignificantes y aditivos predigestores para producir un pellet de calidad. Ya instalada la planta piloto y Después de varias pruebas de proceso completas se logró determinar una formula, condiciones de proceso y un proceso óptimos para la producción de PELLETS de Rastrojo de Maíz en alto volumen, cumpliendo con las normas existentes para la fabricación de pellets de biomas. Materia Prima Para el desarrollo de este proyecto, el RASTROJO DE MAIZ es nuestra materia prima básica, tal y como se plantea en el título del proyecto. Rastrojo de maíz, El rastrojo de maíz es toda la biomasa residual que se genera en el cultivo de maíz de grano (cañas, hojas, chalas, mazorcas etc.), fluctúa entre 20 a 35 toneladas por hectárea. Su pared celular presenta un mayor porcentaje de celulosa y su bajo contenido de lignina en los restos dela planta de maíz lo hacen más difícil de pelletizar que las biomasas maderables, precisando del uso de aditivos lignificantes y aditivos predigestores para producir un pellet de calidad. 30 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION Características físicas del Rastrojo de Maíz y otras biomasas Humedad % Ceniza % lignina % 7.2 8.18 8.14 8.05 7.7 6.66 10.27 6.52 3.86 0.29 0.92 9.32 14.56 6.83 15 13 23 19 8.2 7.5 6.3 Nogal Manzano Pino Encino Trigo Avena Maiz Celulosa % Hemicelulosa % Materia Volatil % 35.41 29.19 56.12 42.25 23.33 22.52 37.69 22.2 17.84 12.14 16.96 31.21 35.36 38.19 86.28 87.96 91.58 91.03 82.98 78.78 82.91 Poder Calorifico kcal/kg 4174 4396 4288 4279 2379 3701 4059 Composición química del Rastrojo de Maíz y otras biomasas Nogal Manzano Pino Encino Trigo Avena Maiz N% 5.69 2.58 12.67 2.63 2.25 2.37 2.56 P% 0.02 0.05 0.0008 0.04 0.03 0.12 0.01 K% 0.23 0.31 0.09 0.19 1.04 1.35 1.55 Ca % 2.20 1.16 0.19 0.22 0.29 0.36 0.31 Mg % 0.17 0.11 0.03 0.09 0.24 0.16 0.14 Na % 0.007 0.01 0.001 0.001 0.01 0.02 0.01 Fe (ppm) 73.85 55.78 39.74 14.23 746.08 251.27 569.37 Mn (ppm) 98.28 7.16 37.01 42.84 66.49 66.69 94.78 Zn (ppm) 47.78 30.43 46.87 16.69 19.19 48.55 16.36 Cu (ppn) 6.99 3.45 2.56 17.02 5.96 3.53 2.06 Ni (ppm) 2.89 3.00 3.02 0.89 5.95 6.05 4.92 La Fórmula, Se realizaros diversas corridas piloto, utilizando diferentes agentes lignificantes (adhesivos) tales como; melaza, almidón de maíz, resinas de madera, parafina y aceites vegetales, en diferentes porcentajes, esto con el objeto de lograr una compactación optima del pellet y que cumpliera con las normas internacionales de fabricación de pellets de biomasa al mejor costo. Finalmente el aceite vegetal al 1% resulto el más adecuado en resultados de calidad-costo. En las misma corridas piloto, se utilizaron también diferentes agentes digestores con el propósito de romper o desdoblar las moléculas de la celulosa cristalizada que contiene el Rastrojo de Maíz, tales como, cal hidratada, anhidrita, hidróxido de sodio y bentonita cálcica, a diferentes porcentajes, igualmente con la finalidad de lograr una compactación optima del pellet y que cumpliera con las normas internacionales de fabricación de pellets de biomasa al mejor costo. Finalmente la bentonita cálcica al 1% resulto la más adecuada en resultados de calidadcosto. 31 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION Formula optima resultante MATERIAL CANTIDAD % RASTROJO DE MAIZ 88 AGUA 10 ACEITE VEGETAL 1 BENTONITA CALCICA 1 TOTAL 100 JUSTIFICACION MATERIA PRIMA BASICA FACTOR DE HUMEDAD NECESARIO AGENTE LIGNIFICANTE (ADHESIVO) Y LUBRICANTE AGENTE PREDIGECTOR DE LA CELULOSA Características del proceso de fabricación de Pellets de Rastrojo de Maíz, Al cabo de todas las corridas piloto de evaluación que se realizaron, se determinaron algunas características básicas del proceso específicas para la fabricar pellets de Rastrojo de Maíz de calidad que cumplan con las normas internacionales de fabricación de pellets de biomasa: 1. 2. 3. 4. El diámetro óptimo de la plantilla debe ser 6mm (diámetro del pellet) El tamaño máximo del material molido (tamaño máximo de la criba) 5mm. El tamaño mínimo del material molido (tamaño mínimo de la criba) 2mm. El rango de humedad de la materia prima antes de pelletizar 12% a 18%. Estandarizacion del Proceso de fabricación de Pellets de Rastrojo de Maíz, Cumpliendo con la formula y las características antes señaladas para la fabricación de pellets de Rastrojo de Maíz, el proceso de fabricación de Pellets de Rastrojo de maíz es el mismo que se requiere para cualquier otro tipo de biomasa, a continuación se muestra el diagramo de flujo de proceso especifico. 32 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION Diagrama de flujo de proceso de fabricación de pellets de Rastrojo de Maíz, 33 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION Flujo del proceso en la planta para la fabricación de pellets de Rastrojo de Maíz, Parámetros del proceso, DESCRIPCION PRODUCTIVIDAD EFICIENCIA CONSUMO DE ENERGIA ELCTRICA MANO DE OBRA REQUERIDA TIEMPOS MUERTOS UNIDADES VALAR KG/HR % KW/TON OPERADORES MINUTOS 1000 85 78.57 4 0 Análisis de Costos, DESCRIPCION RASTROJO DE MAIZ ACEITE VEGETAL BENTONITA AGUA ENERGIA ELECTRICA MANO DE OBRA DIRECTA UNIDADES KG KG KG KG KW HR/HOMBRE CANTIDAD % 88 1 1 10 0.078 0.004 PRECIO COSTO TOTAL UNITARIO POR KG POR KG 0.7 0.616 17 0.17 3 0.03 0 0 3.5 0.273 100 0.4 TOTAL 1.489 34 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION Pellet de Rastrojo de Maíz, El pellet de biomasa es un combustible estandarizado. Los pellet deben cumplir con características establecidas por normas de calidad, para ser usados como un combustible domiciliario, comercial e industrial. A continuación se presenta tabla comparativa de los resultados de tres muestras de PELLETS DE RASTROJODE MAIZ fabricados en nuestra planta piloto experimental y la norma de fabricación de pellets de biomasa NORUEGA M7135 Resultados comparativos del pellet de rastrojo de maíz contra norma internacional de fabricación de pellets de biomasa M7135 ESPECIFICACIONES DE LA NORMA DIAMETRO LONGITUD DENSIDAD HUMEDAD VALOR ENERGETICO AZUFRE NITROGENO CLORUROS UNIDADES mm mm kg/mᶟ % kcal/kg % % % NORMA INTERNACIONAL M7135 4 - 10 5*D 800 <10 4400 ≤0.10 ≤1.0 ≤0.20 MUESTRA 1 MUETRA 2 6.00 15.00 824.00 9.30 4800.00 0.09 0.83 0.24 6.00 14.00 836.00 7.10 4800.00 0.09 0.83 0.24 MUSTRA 3 6.00 17.00 812.00 8.50 4800.00 0.09 0.83 0.24 Análisis comparativos con otros combustibles, El pellets es un Combustible estandarizado (diámetro, largo, contenido de humedad, contenido de energía), Sin contaminantes (metales, piedras). Se acepta como máximo 2% de aglomerantes. Bajo contenido de humedad 8 – 10%. Alta densidad de energía, en consecuencia bajas necesidades de almacenamiento. Transporte y almacenaje fácil, limpio y seguro. Adecuado para técnicas modernas de combustión. Buenas cualidades como combustible. Emisiones bajas en CO2. Combustible limpio y competitivo en comparación a productos fósiles. Comparativo de costos de diferentes combustibles ($/Kcal) COMBUSTIBLE DIESEL LT GAS LP LT PELLET DE RASTROJO DE MAIZ KG UNIDAD PRECIO POR UNIDAD 14.58 15.67 2.5 DENSIDAD KG/LT 0.79 0.56 LITROS / KG 1.18 1.78 PRECIO POR KG $ PESOS 18.45 27.98 2.5 PODER COSTO NETO CALORIFICO $/Kcal Kcal/Kg 10700 0.001724299 11900 0.002351261 4200 0.000595238 35 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION En general, el uso de la biomasa puede considerarse neutro en términos de emisiones de CO2, puesto que el CO2 que las plantas absorben durante su crecimiento será prácticamente el mismo al que emiten durante su combustión. De modo que, todo el CO2 emitido en el uso energético de la biomasa no contribuye al incremento de su porcentaje en la atmósfera, ayudando a reducir el efecto invernadero y a evitar el continuo cambio climático. Por tanto, por cada tonelada de combustible fósil que sea reemplazado por pellets de cualesquier biomasa se estarían dejando de emitir hasta 3.4 toneladas de CO2. Comparativo de emisiones de CO2 por kg y por tonelada de combustible COMBUSTIBLE DIESEL GAS LP PELLETS UNIDAD DENSIDAD KG/LT LITROS /KG LT LT KG 0.79 0.56 1.18 1.78 9. EMISIONES DE CO2 POR EMISIONES DE CO2 KG EMISIONES DE COMBUSTIBLE CO2 LT DE COMBUSTIBLE DE CO2/KG DE COMB. KG DE CO2 / TON DE COMB KG /LT 2.65 3.13 3127.00 2.303 4.10 4099.34 1.83 1830.00 Datos técnicos, •Ya hemos superado el zenith de producción de todos los combustibles líquidos en 2008……. •En promedio el 70% de la bioelectricidad se produce a partir de biomasa sólida mientras que el 24% a partir de biogás (proyecciones año 2020.) •Del potencial de biomasa total en Europa, el 67% proviene de biomasa leñosa. •En 2010 la producción mundial de pellets llego a 14,3 millones de toneladas, mientras que el consumo fue cercano a los 13,5 millones de toneladas. •En México la generación eléctrica a partir de fuentes renovables no convencionales, apenas llega al 1,3%. •Los principales exportadores de pellets a la Unión Europea en 2011 fueron Canadá (36,7%); Estados Unidos (31,7%) y Rusia (15%) del total de exportaciones. •México no figura con un 0,0% del total de las importaciones de pellets realizadas por Unión Europea. •Por otro lado la paja (rastrojo de maíz) disponible solo en la región noroeste del Estado de Chihuahua alcanza más de 1 millón de toneladas / temporada. •El precio de los combustibles fósiles y lo elevado de sus emisiones constituyen una oportunidad comercial sostenida y amigable con el medio ambiente. 36 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION •Hay un potencial considerable que puede contribuir al desarrollo rural, y crear oportunidades para los agricultores y propietarios de bosques. nuevas •A nivel local los planes de gobierno, los problemas de contaminación más la instalación de una conciencia ecológica en el tiempo, deben estimular un aumento importante en el consumo de biomasa/pellets. •La utilización de otros cultivos energéticos para biomasa sólida o biocombustible, debe considerar los efectos sobre el uso de la tierra y el agua. •Las maderas blandas (coníferas, pino entre otras), considerada ligeramente mejor por su mayor contenido de lignina, aglomerante. •El poder calorífico en seco de la biomasa de diferentes especies varía en un intervalo muy reducido, de 18,5 a 19 MJ/kg. •El contenido de humedad óptimo (8 – 12 %), para peletizado. •Los bajos costos de secado y almacenaje son fundamentales para asegurar un combustible rentable. •Los pellets de madera son un 25% más caro que los pellets alternativos y los pellets alternativos (de pajas y rastrojos agrícolas) son un 14% más caro que las astillas de madera. •Para sistemas de combustión a pequeña escala deben utilizarse materias primas disponibles en la región. El transporte a larga distancia únicamente es rentable para sistemas a gran escala (>1MW). 10. Impactos, De acuerdo a los resultados de este proyecto, el Rastrojo de Maíz, muestran ser un material factible para uso como combustible peletizado, con un poder calorífico muy aceptable. De acuerdo a los resultados de este proyecto, el proceso de fabricación de pellets de Rastrojo de Maíz, desarrollado en este proyecto, es totalmente replicable para escalamiento. Considerando sus costos de fabricación, el pellet de rastrojo de maíz resulta hasta cinco veces más económico que los combustibles convencionales derivados del petróleo. Como se planteó inicialmente, el uso de la biomasa (Rastrojo de Maíz) como combustible, puede considerarse neutro en términos de emisiones de CO2, puesto que el CO2 que las 37 PROYECTO 220345 PROGRAMA DE ESTIMULO A LA INVESTIGACION, DESARROLLO TECNOLOGICO E INNOVACION plantas absorben durante su crecimiento será prácticamente el mismo al que emiten durante su combustión. De modo que, todo el CO2 emitido en el uso energético de la biomasa no contribuye al incremento de su porcentaje en la atmósfera, ayudando a reducir el efecto invernadero y a evitar el continuo cambio climático; independientemente de lo anterior, los pellets de rastrojo de maíz emiten hasta tres veces menos CO2 por kcal, que los combustibles convencionales El número de iniciativas para fomentar la eficiencia energética y reducir la dependencia de los combustibles fósiles se están disparando en todo el mundo. El pellet es un combustible fabricado a partir de residuos de forestales – y en algunos casos también de residuos agrícolas tales como la paja. Se inventó en Estados Unidos a finales de los años 70, pero se utilizó en unos nichos muy reducidos durante dos décadas, cuando comenzó a despegar su mercado en Europa. El mercado del pellets ha experimentado un aumento significativo los últimos años. En 2010 la producción mundial de pellets llego a 14,3 millones de toneladas, mientras que el consumo fue cercano a los 13,5 millones de toneladas. Entre el 2009 y 2010 la capacidad instalada registro un aumento del 22% llegando a más de 28 millones de toneladas Durante el 2009 se instalaron aproximadamente 670 plantas de pellet en la Unión Europea, con una producción inferior a las 10000 ton/año, sin embargo desde el 2009 el crecimiento en la demanda estimulo las inversiones en plantas de gran escala incrementando el rango de cientos de miles de toneladas en la UE, USA, Rusia y Otros. La UE sigue siendo el principal mercado de los pellets, entre 2008 y 2010 la producción aumentó un 20,5% logrando 9,2 millones de toneladas en 2010, equivalente al 61% de la producción global. En el mismo periodo el consumo de pellets aumento un 43,5% hasta alcanzar más de 11,4 millones de toneladas en 2010, lo que equivale al 85% de la demanda mundial. El comercio de Pellets en Europa, como las importaciones están creciendo rápidamente. Los principales exportadores de pellets a la Unión Europea durante el 2011 fueron Canadá, con un 36,7%; Estados unidos un 31,7%. En tercer lugar se encuentra Rusia con un 15% del total de exportaciones. MEXICO NO FIGURA en las importaciones de pellets realizadas por Unión Europea ni por ningún otro mercado, a pesar de ser un país rico en gran variedad de recursos 100% renovales de biomasa tales como bosques y agricultura a gran escala. Nuestra empresa con este proyecto es pionera en el desarrollo e investigación de estos procesos y estas oportunidades de nuevos negocios 100% tangibles a nivel mundial, tal y como se puede observar en el mercado actual y su constante crecimiento. 38
