1 Determinación del punto de fusión de cenizas de bagazo

Determinación del punto de fusión de cenizas de bagazo y residuos agrícolas de
la cosecha en verde de la caña de azúcar en Tucumán
Florencia Peralta*, Gimena Zamora Rueda*, Gabriela Mistretta*, Héctor Zalazar***, M.
Valeria Bravo****, Enrique Feijoo****, Marcos A. Golato***, Dora Paz ***** y Gerónimo
J. Cárdenas*
Introducción
Las crecientes proyecciones sobre el uso de las biomasas como fuentes alternativas
de energía han extendido la demanda de sus respectivas caracterizaciones
energéticas. La biomasa sólida es particularmente útil para la conversión energética
por medio de procesos termoquímicos para la obtención de calor. La Estación
Experimental Agroindustrial Obispo Colombres (EEAOC) viene estudiando hace
algunos años la utilización de algunas biomasas como fuentes alternativas de energía,
entre ellas el bagazo y los residuos agrícolas de la cosecha en verde de la caña de
azúcar (RAC), para su aprovechamiento en calderas de vapor convencionales y
modernas de la industria azucarera de Tucumán.
Antes de comenzar a operar con nuevos biocombustibles en calderas de vapor, es de
suma importancia caracterizar la biomasa que se desea utilizar para evaluar su aptitud
como combustible y su posible comportamiento en el generador. Los parámetros
normalmente analizados son los contenidos de humedad y cenizas y el poder
calorífico. No obstante, existen otros parámetros físico-químicos que definen la calidad
de un combustible, como por ejemplo la fusibilidad de las cenizas. Este parámetro es
de gran importancia para tomar medidas tendientes a evitar problemas de
escorificación excesiva, deposiciones y obstrucción en la zona de grillas y pasajes de
gases a través de los tubos del haz convectivo y sobrecalentador, procurando un
manejo y rediseño adecuados, que permitan extender los periodos de funcionamiento
y minimizar los tiempos de parada en los generadores de vapor.
Para evaluar rápidamente la posibilidad de que se escorifiquen las cenizas del
combustible, se puede realizar un análisis de su fusibilidad, determinándose la
temperatura a la cual comienzan a aparecer sinterizados y a formarse escorias en un
determinado material. Estos son parámetros críticos ligados a la calidad de un
combustible, a partir de los cuales es posible predecir la factibilidad de su aplicación a
escala industrial, definiendo la temperatura de diseño del horno de la caldera de vapor
y sus condiciones operativas.
* Ing. Qco., ** Ing. Mco., ***Tco., ****Ing. Ind., *****Dra. Ing. Qca., Ingeniería y Proyectos Agroindustriales,
EEAOC. [email protected] 1 La fusibilidad de las cenizas es una característica del estado físico que estas
adquieren cuando se las somete a un calentamiento progresivo en determinadas
condiciones (Pang et al., 2013).
En el presente trabajo, se muestran los resultados preliminares del análisis de la
fusibilidad de las cenizas del bagazo de caña y RAC obtenidos en el Laboratorio de
Ensayos y Mediciones Industriales (LEMI) de la Sección Ingeniería y Proyectos
Agroindustriales de la EEAOC, a partir de un moderno equipamiento recientemente
instalado en este laboratorio.
Análisis de la fusibilidad de cenizas
La American Society for Testing and Materials (ASTM) identifica cuatro temperaturas
características de la fusibilidad de cenizas: la temperatura inicial de deformación (DT),
la temperatura de ablandamiento (ST), la temperatura de semiesfera (HT) y la
temperatura de fluidización (FT). Estas se determinan para dos atmósferas diferentes:
oxidante y reductora. En la primera atmósfera, el gas predominante es una mezcla de
CO2 y O2 y, en la segunda, predomina una mezcla de CO2 y CO (ASTM, 2010). Si bien
esta norma indica el procedimiento para el análisis de la fusibilidad de muestras de
carbón mineral, puede generalizarse para el análisis de cualquier tipo de biomasa
sólida o material inorgánico.
Preparación de las muestras a analizar
La determinación del punto de fusibilidad requiere de ensayos previos de secado, de la
determinación del contenido de humedad y cenizas, de la disposición de las muestras
a un tamaño adecuado y de su calcinación.
El secado de la biomasa se realiza en estufa eléctrica con circulación forzada de aire a
105ºC, durante ocho horas y hasta peso constante, según norma ASTM D317387(1996) modificada (ASTM, 1996). Una vez que el material se encuentra seco, debe
ser acondicionado hasta alcanzar una granulometría adecuada (diámetro promedio
menor a 2 mm), para luego ser sometido a la determinación del contenido de cenizas
(Castagnaro et al., 2011).
El contenido de cenizas en base seca de la biomasa se determina en horno mufla a
550ºC, durante ocho horas y hasta peso constante, según norma ASTM D5142-04
modificada (ASTM, 2004). En este último ensayo se obtiene el material necesario para
el posterior análisis de fusibilidad.
2 Las muestras de cenizas así obtenidas son molidas y tamizadas hasta una
granulometría menor a 75µm; luego se humedecen con solución filtrada de dextrina al
10% y se procede a rellenar moldes estandarizados. Una vez endurecidas las
muestras, se procede a desmoldarlas y secarlas a temperatura ambiente. Este
procedimiento se encuentra estandarizado por la mencionada norma ASTM D185704(2010) (ASTM, 2010).
Analizador de fusibilidad de cenizas AF700
El equipo analizador de fusibilidad de cenizas AF700 es un moderno equipo
automatizado que determina las DT, ST, HT y FT a partir del registro de la deformación
de muestras de cenizas por medio de un “software” de función y reconocimiento de
imágenes (IRF) y de acuerdo a la norma ASTM D1857-04(2010) y al registro de las
temperaturas alcanzadas en ese proceso de deformación.
En la Figura 1, pude observarse el equipo analizador de la fusibilidad de cenizas
instalado en el LEMI de la EEAOC.
En la Figura 2, se observa un diagrama de flujo del equipo analizador. En esta
figura
verse
oxidante
de CO
O2) y del
Figurapuede
1. Equipo
paraella suministro
determinacióndel
de gas
la fusibilidad
de (mezclas
cenizas, marca
Leco,
2 ymodelo
AF700, instalado en el Laboratorio de Ensayos y Mediciones Industriales (LEMI) de la
gas
reductor
(mezclas
de CO2 y Obispo
CO). Además,
equipo cuenta con un gas de
Estación
Experimental
Agroindustrial
Colombresel
(EEAOC).
3 purga (nitrógeno) para el barrido y limpieza del sistema. Se puede observar el medio
de regulación y medición del flujo de estos gases, el horno eléctrico con su sistema de
ventilación, la cámara digital y un sistema de espejos que facilita la proyección de las
imágenes en una zona alejada de la fuente de calor. Por otro lado, se visualizan los
sensores y sistema de enclavamientos para la operación segura del equipo.
Figura 2. Diagrama de flujo del equipo analizador de fusibilidad marca Leco,
modelo AF700. Operación del AF700
El operador coloca los conos dentro del horno y selecciona un método analítico con
una determinada atmósfera, ya sea reductora u oxidante. Por medio de la cámara
instalada en el interior del horno, se configura la posición de cada cono en la pantalla.
El equipo determina automáticamente las DT, ST, HT y FT; la medición se basa en
identificar el cambio característico que experimenta la forma de los conos de cenizas
(altura, superficie, ancho) cuando son sometidos a un calentamiento progresivo en un
horno eléctrico con atmósfera controlada, ya sea reductora (CO2/CO) u oxidante
(CO2/O2); la velocidad de calentamiento se encontrará definida por el material a
ensayar. El proceso de deformación se puede visualizar en la pantalla, puesto que las
imágenes son captadas por la cámara digital: estas son capturadas y procesadas
mediante el sistema IRF (Leco Corporation, 2010).
La Figura 3 muestra los perfiles de los conos en función de las temperaturas DT, ST,
HT y FT descriptas anteriormente según ASTM D1857-04(2010) (ASTM, 2010).
4 D
Figura 3. Perfil de los conos de ceniza en función de las temperaturas
características de fusibilidad según ASTM D1857-04(2010).
La Figura 4 muestra una imagen real de los perfiles de los conos para las
temperaturas características de fusibilidad. Esta imagen proviene de una
captura de pantalla del “software” de control del AF700.
Figura 4. Imagen real del perfil de los conos para las temperaturas características de
fusibilidad según ASTM D1857-04(2010).
Generalmente, las temperaturas bajo condiciones reductoras deben ser iguales o
menores que en condiciones oxidantes; el mayor contenido de minerales en las
muestras acrecientan las diferencias entre ambas atmósferas, debido a que su
reducción conduce a la formación de compuestos de bajo punto eutéctico (Misra et al.,
1993).
Temperaturas de fusibilidad de cenizas de bagazo y RAC
Durante la zafra 2013 se recolectaron 20 muestras de bagazo provenientes de
ingenios tucumanos y 20 muestras de RAC provenientes de los campos de caña
5 cosechados con sistema tradicional de cosecha integral. Las muestras fueron
procesadas en el LEMI siguiendo las metodologías descriptas en este artículo.
La Tabla 1 muestra los resultados obtenidos del análisis de fusibilidad de cenizas de
bagazo analizadas para las atmósferas reductora y oxidante. Se puede observar que
las temperaturas promedio características de la fusibilidad de las cenizas de bagazo
para atmósfera reductora fueron: DT = 1081,1ºC; ST = 1236,6ºC; HT = 1385,4ºC y FT
>1455,0ºC, mientras que en atmósfera oxidante los valores fueron: DT = 1110,0ºC; ST
= 1235,2ºC; HT = 1334,5ºC y FT > 1455,0ºC.
Tabla 1. Temperaturas de fusión de cenizas de bagazo en atmósferas reductora y
oxidante.
Muestra
Nº
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Promedio
DT (ºC)
1154,5
1121,5
1156,5
1107,5
1167,5
1190,0
1105,5
1044,5
985,0
1005,5
1151,5
1211,5
1082,5
927,5
1125,0
1092,5
964,0
1012,5
1005,0
1012,5
1081,1
Atmósfera reductora
ST (ºC)
HT (ºC)
1293,5
1380,5
1254,5
1353,5
1268,5
1384,5
1248,5
1370,5
1343,5
1445,0
1305,0
1343,5
1396,5
1438,5
1337,5
1445,0
1064,5
1362,5
1274,5
1398,0
1335,5
1445,0
1279,5
1445,0
1283,5
1404,5
1082,5
1394,5
1252,5
1445,0
1207,5
1277,5
1186,5
1285,0
1120,0
1310,0
1065,0
1384,0
1133,0
1395,0
1236,6
1385,4
FT (ºC)
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
1432,5
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
DT (ºC)
1178,5
1196,5
1113,5
930,0
1158,5
1235,0
1183,5
1065,5
971,0
1098,5
1220,5
1130,0
1100,5
941,5
1114,5
1200,0
982,0
977,5
1180,0
1223,5
1110,0
Atmósfera oxidante
ST (ºC)
HT (ºC)
1309,5
1390,5
1283,5
1380,0
1208,5
1280,0
1106,5
1250,5
1334,5
>1450,0
1320,0
1363,5
1300,0
1430,0
1229,5
>1450,0
1009,0
1243,0
1265,5
1358,8
1361,5
>1450,0
1334,5
1446,5
1301,5
1422,5
1079,5
1256,5
1270,5
1374,5
1271,5
1343,5
1201,5
1295,0
1025,0
1117,5
1235,0
1410,0
1256,5
1323,5
1235,2
1334,5
En la Figura 5, se puede observar el correspondiente gráfico de dispersión de los
valores de la Tabla 1 para las atmósferas analizadas. Se puede ver que la DT mínima
fue 927,5ºC en atmósfera reductora y 930,0ºC en atmósfera oxidante. En cuanto a la
FT máxima, el valor obtenido para ambas atmósferas superó los 1455,0ºC.
6 FT (ºC)
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
1402,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
1282,5
>1455,0
1388,5
>1455,0
Figura 5. Temperaturas características de la fusibilidad de cenizas de bagazo para atmósferas reductora y oxidante.
La Tabla 2 muestra los resultados del análisis de fusibilidad de cenizas de RAC
realizado en atmósferas reductora y oxidante.
7 Tabla 2. Temperaturas de fusión de cenizas de RAC en atmósferas reductora y
oxidante.
Muestra Nº
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Promedio
DT (ºC)
1055,0
975,0
1075,0
1091,0
1050,0
1069,0
985,0
977,0
1156,0
1069,0
1072,0
1091,0
998,0
1002,0
1072,0
1007,0
1074,0
1199,0
1044,0
1026,0
1054,4
Atmósfera reductora
ST (ºC)
HT (ºC)
1143,0
1330,0
1142,5
1327,5
1337,5
1405,0
1316,0
1450,0
1300,0
1328,0
1289,0
1360,0
1215,0
1329,0
1145,0
1340,0
1261,0
1384,0
1275,0
1330,0
1325,0
1400,0
1366,0
1450,0
1195,0
1403,0
1278,0
1355,0
1350,0
1375,0
1262,0
1342,0
1179,0
1402,0
1295,0
1387,0
1335,0
1398,0
1250,0
1392,0
1263,0
1374,4
FT (ºC)
1428,0
1377,5
>1455,0
>1455,0
1392,0
>1455,0
>1455,0
1380,0
1449,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
1390,0
1406,0
>1455,0
>1455,0
1449,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
DT (ºC)
1028,0
1180,0
1020,0
952,5
1030,0
1142,5
1025,0
947,0
1142,5
1152,5
1070,0
1010,0
1115,0
1007,5
1027,5
955,0
1132,5
1100,0
1007,0
1115,0
1058,0
Atmósfera oxidante
ST (ºC)
HT (ºC)
1145,0
1273,5
1225,0
1347,0
1055,0
1197,5
1250,0
1390,0
1170,0
1345,0
1285,0
1387,5
1207,5
1292,5
1022,5
1170,0
1248,0
1370,0
1272,5
1345,0
1240,0
1387,5
1210,0
1327,5
1247,5
1325,0
1102,5
1239,5
1165,0
1285,0
1122,5
1300,0
1300,0
1395,0
1198,0
1378,0
1210,0
1299,0
1236,0
1385,0
1195,6
1322,0
FT (ºC)
1432,5
1455,0
1388,5
>1455,0
1420,0
>1455,0
>1455,0
1275,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
1442,5
>1455,0
1387,5
1415,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
>1455,0
Se puede observar en la tabla que, en atmósfera reductora, las temperaturas promedio
características de la fusibilidad de las cenizas de RAC fueron las siguientes: DT =
1054,4ºC; ST = 1263,0ºC; HT = 1374,4ºC y FT >1455,0ºC. En tanto, en atmósfera
oxidante, estas temperaturas fueron: DT = 1058,0ºC; ST = 1195,6ºC; HT = 1322,0ºC y
FT >1455,0ºC.
La Figura 6 muestra el gráfico de dispersión correspondiente a los valores de la Tabla
2 para las atmósferas reductora y oxidante. Se puede apreciar que la DT mínima,
registrada para las muestras de RAC analizadas, fue 975,0ºC para atmósfera
reductora y 947,0ºC para atmósfera oxidante. En cuanto al valor promedio máximo de
FT, este fue mayor a 1455,0ºC para ambas atmósferas analizadas.
8 Figura 6. Temperaturas características de la fusibilidad de cenizas de RAC para atmósferas
reductoras y oxidantes.
Consideraciones finales
Los resultados preliminares obtenidos del análisis de fusibilidad de las cenizas de
bagazo muestran que las temperaturas características se encuentran dentro del mismo
orden de magnitud y no muestran diferencias significativas cuando se las somete a un
calentamiento en atmósferas oxidantes y reductoras: solamente se observaron
variaciones máximas próximas al 4,0%. Para el caso del RAC, los resultados fueron
similares: los valores se presentaron en un igual orden de magnitud y las diferencias
entre los valores obtenidos para las atmósferas ensayadas fueron poco significativas
(se observaron variaciones máximas cercanas al 5,5%).
Los resultados del análisis de la fusibilidad de las cenizas indican, en promedio, que la
DT es sensiblemente menor para las cenizas de RAC (1054,4ºC) que para las de
bagazo (1081,1ºC) en atmósfera reductora; estos valores ascienden a 1058,0ºC y
1110,0ºC, respectivamente, en atmósfera oxidante. Este hecho podría deberse a la
presencia de óxidos alcalinos en la constitución elemental del RAC, que
posteriormente se oxidan durante la combustión formando sales de bajo punto de
fusión (Fernández Llorente y Carrasco García, 2005).
9 Bibliografía citada
American Society for Testing and Materials (ASTM) International. 1996. ASTM D317387. Standard test method for moisture in the analysis sample of coal and coke.
ASTM, West Conshohocken, USA.
American Society for Testing and Materials (ASTM) International. 2004. ASTM D514204. Standard test method for ash in the analysis sample of coal and coke from
coal. ASTM, West Conshohocken, USA.
American Society for Testing and Materials (ASTM) International. 2010. ASTM D185704. Standard test method for fusibility of coal and coke ash. ASTM, West
Conshohocken, USA.
Castagnaro, A.; M. A. Golato; D. Paz y E. A. Feijóo. 2011. Caracterización energética
de biomasas residuales de origen agroindustrial de Tucumán. Avance Agroind.
32 (2): 33-37.
Fernández Llorente, M. J. y J. E. Carrasco García. 2005. Comparing methods for
predicting the sintering of biomass ash in combustion. Fuel 84: 1893–1900.
Leco Corporation. 2010. Manual de instrucciones del determinador de fusibilidad de
cenizas AF700. Versión 1.1x. Parte Nº 200-714. Leco Corporation, St. Joseph,
USA.
Misra, M. K.; K. W. Rangland and A. J. Baker. 1993. Wood ash composition as a
function of furmace temperature. Forest Products Laboratory, Department of
Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Madison, USDA, Madison,
USA.
Pang, C. H.; B. Hewakandamby; T. Wu and E. Lester. 2013. An automated ash fusion
test for characterisation of the behaviour of ashes from biomass and coal at
elevated temperatures. Fuel 103: 454–466
10