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BIOMASA: EVALUACIÓN DE LIGNOGRANOS DE RESIDUOS MADEREROS COMO RECURSO ENERGÉTICO, CASO PROYECTO LA GLORIA.
Ing. CAMILO ACUÑA CARREÑO – 11822023-1
UNIVERSIDAD DE SANTANDER - UDES
PROGRAMAS DE POSGRADOS
MAESTRIA EN SISTEMAS ENERGETICOS AVANZADOS
BUCARAMANGA
2.014
BIOMASA: EVALUACIÓN DE LIGNOGRANOS DE RESIDUOS MADEREROS COMO RECURSO ENERGÉTICO, CASO PROYECTO LA GLORIA.
Ing. CAMILO ACUÑA CARREÑO
Trabajo de Investigación de maestría presentado como requisito para optar al título como Magister en Sistemas Energéticos Avanzados
Director
Dr. Gilberto Carrillo Caicedo
UNIVERSIDAD DE SANTANDER - UDES
PROGRAMAS DE POSGRADOS
MAESTRIA EN SISTEMAS ENERGETICOS AVANZADOS
BUCARAMANGA
2.014
Mis logros son hoy
La cosecha de vida que un día
Dios puso en mi camino…...
Gracias…..
Amada esposa Marta Patricia
Por ser parte de este logro,
Eres mi presente y mi futuro
Mi amor te amo.
A mi hijo: Manuel Camilo;
Por haber llegado a nuestras vidas,
Eres una de las personas por quien
Lucho y luchare siempre.
Te amo hijo.
CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 12
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 14
2. ANTECEDENTES ........................................................................................... 15
3. DISEÑO METODOLÓGICO ........................................................................... 19
3.1 FUENTES DE LA BIOMASA E ÍNDICE DE DISPONIBILIDAD. .................. 19
3.2 PRUEBA POR ANÁLISIS APROXIMADO DE BIOMASA. ......................... 21
3.3 PRUEBA DE ANÁLISIS ELEMENTAL CHN ............................................... 22
3.4 MARCO NORMATIVO PARA BIOCOMBUSTIBLES SÓLIDOS ................. 23
3.5 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Y FABRICACIÓN PELLETS DE MADERA BIOMASA............................................................................................................... 25
Descripción del proceso de peletizado. .......................................................... 27
3.6 AUDITORIA Y ESTIMACIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA USADA EN LA PRODUCCIÓN DE LIGNOGRANOS DE MADERA. ........................................ 29
3.7 METODOLOGIA Y ESTIMACIÓN ENERGÉTICA DE LOS LIGNOGRANOS DE MADERA PRODUCIDOS EN EL PROYECTO. ............................................... 30
3.8 IMPACTO AMBIENTAL DE LA BIOMASA RESIDUAL DE MADERA Y A SU VEZ LA TRANSFORMACIÓN EN LIGNOGRANOS. ............................................. 31
4. RESULTADOS Y DISCUSIONES................................................................... 32
4.1 RESULTADO DE LAS FUENTES DE LA BIOMASA E ÍNDICE DE DISPONIBILIDAD .................................................................................................. 32
4.2 RESULTADO DE LA PRUEBA ANÁLISIS APROXIMADO DE BIOMASA 35
4.3 RESULTADO DE ANÁLISIS ELEMENTAL CHN ....................................... 38
4.4 MARCO NORMATIVO ADECUADO PARA LA FABRICACIÓN DE PELLETS DE B.R.M. ............................................................................................. 40
4.5 RESULTADOS DEL PROCESO Y FABRICACIÓN PELLETS DE MADERA BIOMASA............................................................................................................... 41
4.6 RESULTADOS DE AUDITORIA Y ESTIMACION DE LA ENERGIA ELECTRICA USADA EN LA PRODUCCION DE LIGNOGRANOS DE MADERA. 44
4.6.1 Estimación de la energía eléctrica usada en la producción de lignogranos de madera. .................................................................................. 45
4.7 RESULTADOS DE LA ESTIMACIÓN ENERGÉTICA DE LOS LIGNOGRANOS DE MADERA PRODUCIDOS EN EL PROYECTO. ................... 47
4.8 RESULTADOS DEL IMPACTO AMBIENTAL DE LOS LIGNOGRANOS FABRICADO MEDIANTE ESTE MODELO ............................................................ 48
5. CONCLUSIONES. .......................................................................................... 49
6. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................... 50
7. ANEXOS ......................................................................................................... 53
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla # 1: Escala de observación de la biomasa – La Gloria. ............................... 20
Tabla # 2: Referencia para pruebas de análisis aproximados de biomasa. ........... 21
Tabla # 3: Referencia para pruebas de análisis elemental CHN............................ 22
Tabla # 4: Requisitos Norma CEN/TS 335............................................................. 24
Tabla # 5: Tabla de inventarios de equipos que intervienen en el proceso de peletizados. ............................................................................................................ 31
Tabla # 6: Formato diligenciado del IDI. ................................................................ 32
Tabla # 7: Resultados de análisis aproximados- Muestra # 1. ............................... 35
Tabla # 8: Resultados de análisis aproximados-Muestra # 2. ................................ 36
Tabla # 9: Resultados de análisis elemental-CHN. ................................................ 39
Tabla # 10: Resumen Normas establecidas para la fabricación de pellets. ........... 40
Tabla # 11: Resumen de la cantidad de energía gastada en el proceso de peletizado............................................................................................................... 46
Tabla # 12: Resultado del balance energético. ...................................................... 47
LISTA DE GRAFICAS
Pág.
Figura # 1: Instrumento fotográfico -Apile # 1. ....................................................... 20
Figura # 2: Instrumento fotografía –Apile # 2. ........................................................ 20
Figura # 3: Esquema de sistema de matriz anular. ................................................ 27
Figura # 4: Esquema de sistema de matriz plana. ................................................. 27
Figura # 5: Diagrama de flujo-proceso de peletizado. ............................................ 28
Figura # 6: Diagrama en bloque auditoria energética para el proceso de fabricación de pelletizados. ...................................................................................................... 30
Figura # 7: Diagrama de flujo del proceso de pelletizado. ..................................... 42
Figura # 8: Diagrama en bloque de la distribución de la energía eléctrica consumida en el proceso. ...................................................................................... 45
TITULO: BIOMASA: EVALUACIÓN DE LIGNOGRANOS DE RESIDUOS
MADEREROS COMO RECURSO ENERGÉTICO, CASO PROYECTO LA GLORIA. AUTOR: Acuña Carreño, Camilo
PALABRAS CLAVES: Pellets, Poder Calorífico Superior, Indicadores
RESUMEN
El sector maderero es uno de los más importantes en el ámbito del aprovechamiento de los recursos naturales, Procesar esta madera en aserraderos deja como consecuencia desechos leñosos (orillos de madera de los bolillos, corteza, aserrín y troncos no óptimos para su comercialización) que representan un 40% de la producción. Gran parte de este material leñoso es pequeño y convertirlo en carbón vegetal, por tamaño no es competitivo. Vender este material leñoso a empresas como materia prima para la fabricación de láminas de aglomerados no es viable por los costos del trasporte desde la zona de aserrado, Estos residuos generan impacto ambiental fuerte. La forma de deshacerse de estos residuos es quemándolo o sepultándolo. Evaluando la mejor solución para el aprovechamiento y procesamiento se seguirán la normatividad CEN/TS 335 para Biocombustibles Sólidos, lignogranos (pellets de madera) y consiste en pequeños cilindros de aserrín comprimido, proveniente de astillas de madera y aserrín seco o con muy baja humedad. Estos cilindros se conforman a través de una alta presión aplicada a través de una matriz sin ningún tipo de aditivo y a Una Alta temperatura generando así pequeñas ―píldoras de energía‖ que necesitan muy poco espacio de almacenamiento, Por pruebas fisicoquímicos de Análisis Aproximado aplicados en el laboratorio de carbón de la UNAL-Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellín se determina El contenido de Humedad, Ceniza, Material Volátil, Azufre Total, poder calorífico superior (PCS) y Su contenido de carbono fijo para así garantiza una fácil ignición durante su combustión; Simultáneamente en el laboratorio de Ciencia de la energía De la UNAL-Sede Medellín se determinaron por Análisis Elemental CHN los porcentajes de Carbono, Hidrogeno, Nitrógeno Y Oxigeno. Se busca con estos resultados la caracterización de la biomasa para producir pellets. En síntesis se plantea una solución más amigable con el medio ambiente, ayudando a la no quema y vertimiento aproximado de 600 Toneladas mes de CO2 a la atmosfera.
TITLE: BIOMASS ASSESSMENT OF WOOD WASTE AS PELLETS ENERGY
RESOURCES, THE GLORY PROJECT CASE. AUTHOR: Coins Carreño, Camilo KEYWORDS: Pellets, Superior Calorific Power, Indicators
ABSTRACT
The timber industry is one of the most important in the area of exploitation of natural resources, Processing wood in sawmills left as waste result woody (selvages Wooden Bobbin, bark, sawdust and logs are not optimal for marketing) representing 40% of production. Much of this is small woody material and turn it into charcoal, size is not competitive. Sell this woody material companies as raw material for the manufacture of sheets of agglomerates is not feasible for the cost of transportation from the area Sawing These residues generate significant environmental impact. How to get rid of this waste is burning or burying. Assessing the best solution for harvesting and processing the CEN / TS 335 regulations for Solid Biofuels, lignogranos (wood pellets) will continue and consists of small cylinders of compressed sawdust from wood chips and sawdust dry or very low humidity. These cylinders are formed by high pressure applied through an array without any additives and a high temperature thus generating small "energy pills" that need very little storage space for physicochemical tests applied in Approximate Analysis laboratory coal UNAL-National University of Colombia, Medellin Moisture content, ash, volatile material, Sulphur Total, gross calorific (PCS) and its fixed carbon content in order to guarantee an easy ignition is determined during combustion ; Simultaneously in the science lab energy-UNAL From Medellín were determined by CHN Elemental Analysis percentages Carbon, Hydrogen, Nitrogen and Oxygen. The results sought through the characterization of the biomass to produce pellets. In short a more amicable solution to the environment, helping the non-burning and dumping of approximately 600 tons month of CO2 to the atmosphere arises.
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INTRODUCCIÓN
El inadecuado manejo de los residuos de biomasa leñosa que genera la actividad de siembra, recolección o corte y proceso de madera, tienen un impacto negativo en un ecosistemas silvícola; el proyecto La Gloria se encuentran ubicados en el Corregimiento de Monterrubio, Municipio de Sabanas de San Ángel departamento del Magdalena; su actividad industrial es cultivar madera bajo forma controlada (reforestándora), esta madera es procesada en aserradero y su producción generales de 1500 Mts³ de madera en 25 días de operación al mes, promediando así semanas de 600 Mts³ del cual el 40% es desperdicio, de las variedad mas procesadas se encuentran Teca (Tectona Grandis) y Roble (Quercus Robur), este material de biomasa residual la metodología mas económica y fácil de desechares quemarla o sepultar generando un notorio impacto ambiental considerable en la región donde opera el aserradero.
Semanalmente se queman 150 Mts³; equivalente a la misma proporción en toneladas de gases con altos contenidos de alquitranes y CO2 vertidos a la atmosfera. La biomasa es un parámetro que caracteriza la capacidad de los ecosistemas para acumular materia orgánica a lo largo del tiempo (Brown, 1997) (Eamus, 2000) y está compuesta por el peso de la materia orgánica (aérea y subterránea) que existe en un ecosistema forestal (Schlegel B, 2000).
Debido a que los objetivos de este proyecto de grado es llevar a cabo una manera de aprovechar el material de residuo, por esta razón se desarrolla bajo los criterios de la investigación Exploratoria y Descriptiva; se toman el mayor número de indicadores y así darle un enfoque de tipo investigación cualitativo. Por esta razón no es necesario realizar una investigación experimental; Paralelamente se pretende realizar una breve investigación transversal descriptiva debido a que estas investigaciones solamente recolectan datos en un solo momento y tiempo único, y así nos mostraría un panorama del estado de una o más de dos variables a estudiar; profundizando más en el tema podemos contar con una técnicas que para ese caso es de Observación, y su instrumento de medición se basa en escala de observación (formatos); y soportarnos en un instrumento de registro que para este caso aplicaría un registro fotográfico.
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Con un enfoque cualitativo la recolección de datos es de igual importancia que para el enfoque cuantitativo, la única diferencia es que en el primero el propósito no es medir variables sino que busca obtener información, describir eventos, situaciones, percepciones, actitudes, creencias y pensamientos, la metodología usada en este proyecto es lo Soportados en la Normas CEN/TS 335 - Biocombustibles Sólidos.
La posible solución es fabricar lignogranos de madera o pellets (pequeños cilindros de aserrín comprimido, proveniente de astillas de madera y aserrín seco o con muy baja humedad), Esta biomasa es un biocombustible de ―carbono neutral‖, es decir, que la cantidad de CO2 emitida por la combustión es comparativamente la misma fijada durante la fotosíntesis; por tanto, su utilización no incrementa el efecto invernadero esto contribuye con la mitigación que las consecuencias de la emisión de este gas pueden generar, tal como la producción de la lluvia ácida, en comparación con los combustibles fósiles tradicionales (Gaviria, 2007).
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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Por lo anterior, los objetivos de este trabajo fueron:
Determinar las fuentes de Biomasa residual de madera (B.R.M) y su Índice de disponibilidad (IDI) del proyecto La Gloria.
Analizar la biomasa residual aplicando el método de pruebas de análisis aproximado, buscando obtener Contenido de humedad, contenido de ceniza, poder calorífico Superior (PCS), contenido de carbón fijo, material volátil, contenido de azufre y poder calorífico inferior (PCI).
Procesar la biomasa residual aplicando el método de pruebas de análisis Elemental CHN, buscando obtener Contenido de Carbono, contenido de Hidrogeno y contenido de Nitrógeno.
Determinar el contenido aproximado de lignina de las muestras Biomasa residual de madera (B.R.M).
Contextualización del marco normativo para Biocombustibles sólidos y su implementación en la producción de lignogranos proyecto La Gloria.
Descripción del diseño en el proceso de fabricación pellets de madera residual.
Balance y estimación de la energía eléctrica usada para la producción de lignogranos de madera.
Balance y estimación energética de los lignogranos de madera producidos en el proyecto.
Impacto ambiental de la biomasa residual de madera y a su vez la transformación en lignogranos.
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2. ANTECEDENTES
Históricamente, la biomasa forestal ha sido una fuente importante de energía, usándose en forma directa como leña, o convertida masivamente, mediante diferentes procesos, a otras formas aprovechables por el hombre, bien sea en estado líquido, gaseoso o sólido (Klass, 1998).
Se dice que el combustible en forma de leña, fue sin duda el primer recurso energético empleado por el hombre, cuando aparecieron las primeras hogueras en las cuevas donde vivían nuestros antepasados. Posteriormente fueron apareciendo tecnologías como la fermentación alcohólica, aproximadamente hace 28000 años en Egipto, seguida del perfeccionamiento de los sistemas de combustión de biomasa leñosa y el progresivo uso del carbón vegetal, constituyéndose así la biomasa forestal en la base energética de la civilización en la antigüedad (Klass, 1998) (FAO, UWETUnified wood energy terminology. Wood Energy Programme, 2001). Orientándonos a determinar la contribución de los combustibles vegetales (COV) a la oferta total de energía primaria (OTEP) en la región no dejan lugar a dudas acerca de su importancia, Vale la pena señalar que la mayor parte de los COV utilizados en la generación de energía son de origen forestal y están constituidos principalmente por leña (LE) y carbón vegetal (CV). Según la FAO el consumo de COV en las diferentes subregiones y permite indicar que la contribución más elevada se da en los países de la subregión centroamericana con el 56 % y el mínimo se encuentra en los países del cono sur y México con el 12 % (Miguel, 1990).
Dendroenergía es toda la energía obtenida a partir de biocombustibles sólidos, líquidos y gaseosos primarios y secundarios derivados de los bosques, árboles y otra vegetación de terrenos forestales. La dendroenergía es la energía producida tras la combustión de combustibles de madera como leña, carbón vegetal, pellets, briquetas, etc., y corresponde al poder calorífico neto (PCN) del combustible. (FAO, Proyecto, estado de la informacion forestal en colombia., 2002)
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Muchos son los términos y conceptos que se han construido alrededor del tema de la energía obtenida a partir de biomasa. Estos generalmente difieren según la región donde se generan las políticas de las organizaciones encargadas de la obtención y manipulación de tal información, entre otras razones. Según (Amous, 1998) (Denman, 1998) (Trossero, 1998), tales diferencias han generado serias dificultades para la recolección, procesamiento y comparación de datos estadísticos acerca de los dendro combustibles y los aspectos relacionados. Esta situación ha llevado, en algunos casos, a la mala interpretación de situaciones y problemas relacionados con la dendroenergía, generalmente a causa de estimaciones gruesas o estudios episódicos insuficientemente desagregados, que impiden tener una base sólida que soporte la adecuada planeación del sector.
La Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO, WISDOM Woodfuel integrated/supply demand overview mapping. Wood Energy Programme, 2003)Ha señalado que el problema de los datos y definiciones inadecuadas en dendroenergía se debe a la ausencia de políticas sectoriales, pues por su misma naturaleza, es de carácter intersectorial, siendo pertinente a sectores como el rural, agrícola, pero principalmente al forestal y energético, lo cual genera ambigüedad en las responsabilidades institucionales. Esto se traduce generalmente en información incompatible, fragmentada y de mala calidad. En respuesta a lo anterior, FAO ha realizado una serie de estudios (Horta &Trossero 1998; FAO, 2003 y 2004) con el fin de unificar y organizar la terminología y definiciones en dendroenergía y otros biocombustibles que actualmente se utilizan en estadísticas forestales y energéticas, balances de bioenergía y comercio.
La biomasa es un parámetro que caracteriza la capacidad de los ecosistemas para acumular materia orgánica a lo largo del tiempo (Brown, 1997) (Eamus, 2000) y está compuesta por el peso de la materia orgánica (aérea y subterránea) que existe en un ecosistema forestal (Schlegel B, 2000).
Según el IPCC (2006) (IPCC, 2006) (Guide lines for National Green house Gas Inventories) - Directrices del IPCC de 2006 para los inventarios nacionales de gases de efecto invernadero, la biomasa es la masa total de la vegetación. En los ecosistemas es muy importante para la fijación de carbono tema relevante por sus implicaciones en el cambio climático (Dixon K, 1991) (Ciesla, 1996) (Marquez, 1997) (Budowski, 1999) (Snowdon P, 2001).
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Las empresas de servicios públicos de Europa están utilizando los pequeños cilindros de combustión (Pellets), quemándolos junto con el carbón en plantas eléctricas. Mientras se conforma un mercado global para responder a la creciente demanda de pellets, el sudeste de EE.UU. se está convirtiendo en un exportador confiable (Florida, Alabama y Arkansas).
Los pellets de madera constituyen la manera más barata para cumplir con las regulaciones de la Unión Europea en lo que respecta al uso de energías renovables.
Las formas de reducir estos altos niveles de consumo de leña —que contribuyen a la deforestación y a serios riesgos para la salud asociados con la contaminación del aire dentro del hogar— incluyen adoptar cocinas alternativas que quemen la madera en forma más eficiente y generen menos emisiones, así como desarrollar métodos más sostenibles de cultivar, cosechar y utilizar biomasa tradicional. Entre las energías alternativas para cocinar están la electricidad y el uso del gas metano derivado de los digestores de biogás (Adam Dolezal, 2013)
A nivel global, los biocombustibles líquidos (predominantemente el etanol y el biodiesel) proporcionaron cerca del 3% de los combustibles para transporte en carretera en 2011, en comparación con un 2% en 200989. Dentro de Latinoamérica, Brasil, Argentina y Colombia son los principales productores de biocombustible y Brasil por sí solo produce casi 24.000 millones de litros de etanol al año, compitiendo globalmente solo con Estados Unidos y dejando atrás a todos los otros productores de Centro y Sudamérica (Adam Dolezal, 2013)
El uso de residuos de madera, según (Reger, 1988), como combustible directo Ha sido tradicional, debido a su poder calorífico, lo cual es posible observarlo En zonas rurales donde la producción dendroenergética es necesaria por la Deficiente cobertura de energía eléctrica la facilidad de obtención del recurso
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Es fácil para estas plantas de pellets encontrar materia prima ya que la industria del papel y la pulpa está en declive, y la crisis de vivienda ha disminuido la necesidad de madera noble. Los propietarios de bosques están satisfechos de que las plantas de pellets estén aumentando su demanda (Russell, 2009)
En el país lo único que se conoce o se acerca a una norma son ciertos decretos dictado por el gobierno nacional la cual encargo a Las entidades administradoras de los Recursos naturales en Colombia que Administrar y legislar en esta según, los siguientes Decretos y Acuerdos: Decreto 2857 de1981 Art.9, Artículo 5 de la Ley 99 de 1993 numeral 21, Decreto 245 de 1995, Acuerdo 38 de 1973,Ley 388 de 1997 Art. 10 No 1, Ley 101 de 1993 y Ley 152 de 1994 Art.3 entre otros. Dichas entidades son El Ministerio del medio Ambiente, y las Corporaciones Autónomas Regionales, resumen tomado de (FAO, Proyecto, estado de la informacion forestal en colombia., 2002)
En la vereda Nueva Pampa, corregimiento del Totúmo municipio de Necoclí – Antioquia se tiene una planta piloto de recuperación de biomasa de madera cuya finalidad es la de alimentar un gasificador para la producción de energía para 48 viviendas.El material leñoso se recogida en las playas de la vereda, el proyecto fue liderado por Ministerio de Minas y Energía, a través del IPSE y la Universidad Nacional sede Medellín (Olarte, 2009) y toman la biomasa que deja el mar al subir la marea.
En santa marta la empresa V&G Bioenergías Del Mundo SAS de participación Colombo-Francesa, la producción de estos pellets solo para exportación Europa donde los usan para generación de energía y de calor en hornillas en épocas de inviernos (Bioenergias, 2013) La UPME con apoyo de la UIS obtuvo el atlas del potencial energético de la Biomasa residual en Colombia; (UPME, IDEAM, COLCIENCIA, & UIS, 2006)
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3. DISEÑO METODOLÓGICO
Aunque el método científico es uno, existen diversas formas de identificar su
práctica o aplicación en la investigación. De modo que la investigación se puede
clasificar de diversas maneras, Debido a que los objetivos de este proyecto de
grado es llevar a cabo una manera de aprovechar el material de residuo que
causa un fuerte impacto en el ambiente, Teniendo en cuenta la evaluación e
inspección física que se realiza al proyecto la Gloria; la materia prima de biomasa
que se usa serán de las especies Teca (Tectona Grandis) y Roble (Quercus
Robur), estas dos variedades de maderas son las que más procesan diariamente
el aserraderos y son las dos variedades mas sembradas en la actualidad.
3.1 FUENTES DE LA BIOMASA E ÍNDICE DE DISPONIBILIDAD.
Siguiendo la metodología de investigación, al hacer uso de la Norma CEN/TS 335 -Requisito I / EN 14961-2:2011; para combustibles Sólidos para el caso en particular es importante garantizar la disponibilidad del material de biomasa como su fuente de esta forma se debe analizar baja la perspectiva de un índice de disponibilidad (IDI) de la biomasa de madera es la forma cómo podemos prever y garantizar su sostenibilidad es soportándose en 8 criterios básicos y elementales en un ecosistema silvícola como lo podemos obtener en el formato anexo A con los diferentes criterios a calificar y se postula la siguiente formula donde podemos valor el total de IDI del proyecto La Gloria previamente registrado en el formato:
IDI (%)=
en este caso La recolección de las muestras a estudiar se realizara en tomar muestreo probabilístico (Aleatorio) del material de biomasa leñosa que se encuentra en el aserradero en estado de aserrín, astillas de madera, pedazos de madera y trozas de los diferentes puntos y varios arrumes. Las muestras se clasifican como tipo A y tipo B en la siguiente Tabla # 1, determinando caracterizando así la variedad, cantidad y presentación de los residuos de biomasa leñosa generada por el proyecto.
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Tabla # 1: Escala de observación de la biomasa – La Gloria. E
sc
ala
de
Ob
serv
ació
n
Clasificación de La
Biomasa
Tipo Residuo de Biomasa De Madera
Cant./Día De Residuo –
Aserrín
(kilogramos/Día)
Cant./Día De Residuo – Astilla
De Madera
(kilogramos/Día)
Cant./Día De Residuo – Trozas
De Madera
(kilogramos/Día)
Total De Biomasa
Producida Al
Día/Kilogram.
Tipo A. TECA 3000 6039 3000 12039
Tipo b. ROBLE 2000 5000 2000 9000
Total De Biomasa Día 21039
Figura # 1: Instrumento fotográfico -Apile # 1.
Figura # 2: Instrumento fotografía –Apile # 2.
**Fotos del aserradero-REFORCOSTA, previa autorización de ellos
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Las muestras recolectadas fueron almacenadas a la intemperie bajo la luz solar a una temperatura entre 29 y 35°C, aunque evitando que el agua de lluvia pudiera interferir en los resultados. Antes de ser enviadas al Laboratorio de Carbones y Laboratorio de Ciencias de La Energía; Universidad Nacional De Colombia - Sede Medellín, se redujeron las muestras Tipo A Y Tipo B en particulacion de menos de 1 milímetro promedio de tamaño mediante el método de molido o triturado posteriormente se tamiza o cerne en una malla de 0.255 Micras se debe de considerar la cantidad de mínimo 15 gramos de material pedidos por los laboratorios.
3.2 PRUEBA POR ANÁLISIS APROXIMADO DE BIOMASA.
La metodología y normativa que interviene en este proceso es la siguiente:
Tabla # 2: Referencia para pruebas de análisis aproximados de biomasa.
Tipo De Maderas
Descripción Parámetros
Método De Referencia
TECA
Y
ROBLE
Humedad (%) Con la Norma CEN/TS 335 - Se Aplica requisito II/ EN14774-1:2009 determinarías Humedad Residual, Bajo la norma ASTM D3173.
Contenido de Cenizas (%)
Con la Norma CEN/TS 335 - Se aplica el requisito II/ EN14775:2009 que nos determina en
la biomasa su Contenido de Ceniza (%), contiguamente en el laboratorio de procesamiento se aplicaría la norma ASTM D3174.
Contenido de Carbón Fijo
Con la Norma CEN/TS 335 - Se Aplica requisito II/ EN 14588:2010 podemos Determinar
Carbón Fijo (%) - contiguamente en el laboratorio de procesamiento se aplicaría la norma ASTM D3172.
Material Volátil Con la Norma CEN/TS 335 - El requisito II/ EN15148:2009 podemos Determinar Material Volátil (%) - contiguamente en el laboratorio de procesamiento se aplicaría la norma ISO 562.
Poder Calorífico Superior PCS – (Kcal/kg) o BTU/lb)
Con la Norma CEN/TS 335 -requisito II/ EN14918:2009 podemos Determinar Poder Calorífico Superior PCS (cal/g)- contiguamente en el laboratorio de procesamiento se aplicaría las norma ASTM D5865.
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Poder Calorífico Inferior PCI –
(Kcal/kg) o BTU/lb)
En el caso para determinar el poder calorífico inferior (CPI) de la B.R.M., se procede a
calcular con la fórmula tomando como referencia de Dulong y Petit de la cual se plantea bajo un concepto empírico por (KOLLMANN, 1959) Plantea:
PCI = PCS – 597 x G Dónde:
PCI = Poder calorífico inferior (kcal / kg combustible). PCS= Poder calorífico superior (kcal / kg combustible). 597= constante (K) de Calor de condensación del agua a O ºC (kcal / kg agua)
G = Porcentaje en peso del agua formada por la combustión del H² más la humedad propia del combustible (kg agua/ kg comb.); De donde: G = 9H + H²O
Siendo: - 9: Son los kilos de agua que se forman al oxidar un kilo de hidrógeno. - H: Porcentaje de hidrógeno contenido en el combustible.
- H²O: Porcentaje de humedad del combustible. H²O
PCI = PCS(Kcal/Kg) – 597(Kcal/Kg) x +
Contenido de Azufre (%S)
Con la Norma CEN/TS 335 - Se Aplica requisito II/ EN15289:2011 podemos Determinar Azufre Total (%) – contiguamente en el laboratorio de procesamiento se aplicaría la norma ASTM D4239.
Contenido de Lignina (%)
Se procesa bajo la norma ASTM D1106-56 (19779
3.3 PRUEBA DE ANÁLISIS ELEMENTAL CHN
La metodología y normativa que interviene en este proceso es la siguiente:
Tabla # 3: Referencia para pruebas de análisis elemental CHN.
Tipo De Maderas
Descripción Parámetros
Método De Referencia
TECA
Y
ROBLE
Contenido de Carbono(%C)
Con la Norma CEN/TS 335 - Se Aplica requisito II/ EN15104:2011 podemos Determinar Carbón – C (%)*, Hidrogeno – H (%)* y Nitrógeno – N (%)*– contiguamente en el laboratorio de procesamiento se aplicaría la norma ASTM D3176.
Contenido de Hidrogeno (%H)
Contenido de Nitrógeno (%N)
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3.4 MARCO NORMATIVO PARA BIOCOMBUSTIBLES SÓLIDOS
Comité Europeo De Normalización (CEN), es Actualmente la entidad europea encargada de la estandarización de biocombustibles; esta entidad creo la Normas (CEN/TS 335 solid biofuel standard), para regularizar este mercado y que el consumidor pueda obtener un producto uniforme. La biomasa está formada principal mente por carbono y oxígeno. También contiene hidrógeno, nitrógeno, azufre, ceniza y agua, dependiendo de la humedad relativa; Cuando ésta se quema, se efectúa una reacción química que combina su carbono con oxígeno del ambiente, formándose dióxido de carbono (CO2) y combinando el hidrógeno con oxígeno para formar vapor de agua.
Cuando la combustión es completa, o sea la biomasa se quema totalmente, todo el carbono se transforma en CO2. Sin embargo, los árboles y plantas que están creciendo capturan nuevamente el CO2 de la atmósfera y, al usar la biomasa en forma sostenible, en términos netos, no se agrega CO2 a la atmósfera; No obstante, cuando la combustión no es completa, se forman monóxido de carbono (CO), hidrocarburos (HCS), por ejemplo metano (CH4), oxido Nitroso (N2O) y otros como SO2 (Óxido De azufre) y, algunas veces de SO3(Trióxido De azufre). Estos pueden generar impactos serios en la salud de los usuarios siendo al mismo tiempo gases de efecto invernadero, por lo que se debería minimizar su formación. Los Biocombustibles sólidos se producen a partir de diferentes fuentes, que se definen en el Plan de Negocios Proyecto de CEN / TS 335 biocombustibles sólidos. La Terminología, definiciones y descripciones de esta norma la cubre (EN 14588:2010) la cual define y establece los siguientes requisitos: Fuentes de los biocombustibles, la ubicación inicial del material de entrada (biomasa) en los ciclos económicos y ambientales (como la madera de los bosques, residuos de manejo del paisaje, los residuos de tala, etc.) La descripción del propio biocombustible sólido, así como su manejo, las diferentes formas de los biocombustibles producidos (por ejemplo, astillas de madera, briquetas, contenido de humedad), las propiedades de biocombustibles más relevantes (por ejemplo, contenido de humedad, contenido de cenizas), y las condiciones de toma de muestras y pruebas así como la clasificación y especificación de Bioenergía como el resultado de la conversión de biocombustibles.
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Tabla # 4: Requisitos Norma CEN/TS 335.
NORMA CEN / TS 335- Biocombustibles Sólidos (Requisitos)
Terminología
EN 14588:2010 Biocombustibles sólidos - Terminología, definiciones y descripciones
Características del combustible y las clases
EN 14961-1:2010 Biocombustibles sólidos - Características del combustible y las clases - Parte 1: Requisitos generales
EN 14961-2:2011 Biocombustibles sólidos - Requisitos de combustible y las clases - Parte 2: Pellets de madera para uso no industrial
EN 14961-3:2011 Biocombustibles sólidos - Requisitos de combustible y las clases - Parte 3: briquetas de madera para uso no industrial
EN 14961-4:2011 Biocombustibles sólidos - Requisitos de combustible y las clases - Parte 4: Astillas de madera para uso no industrial
EN 14961-5:2011 Biocombustibles sólidos - Requisitos de combustible y las clases - Parte 5: Leña para uso no industrial
EN 14961-6:2012 Biocombustibles sólidos - Características del combustible y las clases - Parte 6: pellest no madereras para uso no industrial
Aseguramiento de la calidad del combustible
EN 15234-1:2011 Biocombustibles sólidos - la garantía de calidad de combustible - Parte 1: Requisitos generales
EN 15234-2:2012 Biocombustibles sólidos - la garantía de calidad de combustible - Parte 2: Pellets de madera para uso no industrial
EN 15234-3:2012 Biocombustibles sólidos - la garantía de calidad de combustible - Parte 3: Briquetas de madera para uso no industrial
EN 15234-4:2012 Biocombustibles sólidos - la garantía de calidad de combustible - Parte 4: Astillas de madera para uso no industrial
EN 15234-5:2012 Biocombustibles sólidos - la garantía de calidad de combustible - Parte 5: Leña para uso no industrial
EN 15234-6:2012 Biocombustibles sólidos - la garantía de calidad de combustible - Parte 6: Pellets no madereras para uso no industrial
Muestreo y preparación de la muestra
EN 14778:2011 Biocombustibles sólidos - Muestreo
EN 14780:2011 Biocombustibles sólidos - Preparación de la muestra
Propiedades físicas y mecánicas
EN 14774-1:2009 Biocombustibles sólidos - Determinación del contenido de humedad - Horno método seco - Parte 1: humedad total - Método de referencia
EN 14774-2:2009 Biocombustibles sólidos - Determinación del contenido de humedad - Horno método seco - Parte 2: humedad total - método simplificado
EN 14774-3:2009 Biocombustibles sólidos - Determinación del contenido de humedad - Horno método seco - Parte 3: La humedad en la muestra general, el análisis
EN 14775:2009 Biocombustibles sólidos - Determinación del contenido de cenizas
EN 14918:2009 Biocombustibles sólidos - Determinación del valor calorífico
EN 15103:2009 Biocombustibles sólidos - Determinación de la densidad aparente
EN 15148:2009 Biocombustibles sólidos - Determinación del contenido de materia volátil
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EN 15149-1:2010
Biocombustibles sólidos - Determinación de la distribución del tamaño de partícula - Parte 1: Método pantalla oscilante con aberturas de tamiz de 1 mm o más
EN 15149-2:2010
Biocombustibles sólidos - Determinación de la distribución del tamaño de partícula - Parte 2: Método de criba vibratoria con aberturas de tamiz de 3,15 mm y por debajo
CEN / TS 15149-3: 2006
Biocombustibles sólidos - Métodos para la determinación de la distribución del tamaño de partícula - Parte 3: Método de pantalla giratoria
EN 15150:2011 Biocombustibles sólidos - Determinación de la densidad de las partículas
EN 15210-1:2009
Biocombustibles sólidos - Determinación de la resistencia mecánica de pellets y briquetas - Parte 1: Pellets
EN 15210-2:2010
Biocombustibles sólidos - Determinación de la resistencia mecánica de pellets y briquetas - Parte 2: Briquetas
EN 16126:2012
Biocombustibles sólidos - Determinación de la distribución del tamaño de partícula de pastillas se desintegraron
EN 16127:2012
Biocombustibles sólidos - Determinación de la longitud y el diámetro de pellets y briquetas cilíndricas
Análisis Químico
EN 15104:2011 Biocombustibles sólidos - Determinación del contenido total de carbono, hidrógeno y nitrógeno (CHN)- Métodos instrumentales
EN 15105:2011 Biocombustibles sólidos - Determinación del cloruro soluble en agua, sodio y potasio
EN 15289:2011 Biocombustibles sólidos - Determinación del contenido total de azufre y cloro
EN 15290:2011 Biocombustibles sólidos - Determinación de los principales elementos - Al, Ca, Fe, Mg, P, K, Si, Na y Ti
EN 15296:2011 Biocombustibles sólidos - Conversión de los resultados analíticos de una base a otra
EN 15297:2011 Biocombustibles sólidos - Determinación de elementos menores - As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, V y Zn
*Elaboración de tabla autoría propia.
3.5 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Y FABRICACIÓN PELLETS DE MADERA BIOMASA.
La historia de fabricación de pellets es mucho más reciente, en sus comienzos se utilizaban las prensas de peletizado para la fabricación de alimentos para el ganado, no fue hasta en 1961 cuando comenzó su densificación con fines energéticos. Ese año, la sociedad Sprout-Waldon Co, fabricante de prensas, creó una instalación completa para granular la corteza de roble en Tenesse (EE.UU.).En 1967, el laboratorio de investigaciones forestales vinculado a la Universidad de Oregón, Realizo unos 200 ensayos de granulación de corteza y de madera (CURRIER, 1978). En 1977, GUNNEMAN creó la BIO SOLAR RESEARCH en Eugenia, Oregón, y lanzó una experiencia piloto en Browneville (Oregón).
26
En el mismo año, registra una patente de granulación a la que da el nombre de WOODEX. Se señala que la materia debe estar triturada (tamaño de las partículas inferior al 85% de la dimensión mínima de los pellets), seca o humidificada (humedad comprendida entre 16 y 28%) y calentada a una temperatura suficiente (de 163 a 176 ºC) durante la granulación con el fin de garantizar la calidad del producto final. Desde 1977, algunas instalaciones explotan esta patente en Estados Unidos y Canadá. Otras firmas han preferido efectuar sus propias investigaciones y lanzar sus productos al mercado.
Estas instalaciones pueden producir hasta varios cientos de toneladas al día, según la potencia de la prensa. Son caras y tienen altas productividades de 5- 20 toneladas/h para una única unidad. Todas los tipos de prensa han sido concebidos inicialmente para la fabricación de alimentos para el ganado, pellets de mineral y aplicaciones similares y son, igualmente, aptos para la densificación de madera después de algunas modificaciones. La diferencia esencial reside en la medida de las hileras, que deben tener en cuenta el particular comportamiento en compresión de las materias lignocelulósicas.
Actualmente la granulación de materias lignocelulósicas con fines energéticos está difundida, sobre todo, en Estados Unidos y Canadá, donde el combustible es empleado en usos semi-industriales (calderas de alimentación automática). Las tecnologías de fabricación más utilizadas son:
- Peletizadora de matriz anular.
En este equipo la forma de la matriz es anular o en anillo. Dentro de este tipo de prensa existen dos variantes, en el primero la matriz anular es fija y los rodillos, también llamados discos, animados de un movimiento giratorio, empujan la materia a través de las numerosas hileras; en el segundo los rodillos son fijos y es la matriz la que gira a alta velocidad.
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Figura # 3: Esquema de sistema de matriz anular.
- Peletizadora de matriz plana
En este caso, la matriz es fija y tiene la forma de un disco horizontal, mientras que los rodillos recorren la cara superior.
Figura # 4: Esquema de sistema de matriz plana.
Descripción del proceso de peletizado.
La forma más idónea para trasformar la biomasa en pellets de madera es aplicándole una línea de proceso comúnmente usado por la mayoría de empresas fabricantes de este biocombustible y consiste en:
28
Figura # 5: Diagrama de flujo-proceso de peletizado.
29
3.6 AUDITORIA Y ESTIMACIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA USADA EN LA PRODUCCIÓN DE LIGNOGRANOS DE MADERA.
La auditoría energética es un proceso sistemático que busca obtener un
conocimiento suficientemente fiable del consumo energético de alguna planta, y su
razón principal es la de detectan los factores que afectan al consumo energético.
Se identifica, evalúa y ordena las oportunidades de ahorro energético y
económico.
En el caso en particular la auditoria consta de dos Partes fundamentales como lo
es:
- Estudio de la situación energética actual, con el correspondiente análisis del uso
de la energía y sus costes, es importante destacar que la planta o aserradero no
cuenta con un sistema de control o registro de la cantidad de energía eléctrica que
gasta diariamente, como también no se tiene identificado con exactitud la
cantidad, horario y forma del consumo energético, se toma como referencia e
información el promedio estadístico de las facturas de energía.
-Identificación de áreas o equipos susceptibles de mejora, se identifican de
madera global las zonas de consumo energético, teniendo en cuenta que la idea
central de este proyecto es la de evaluar la biomasa residual la posible energía
que puedo obtener de esta, y la energía que gato en transformarla en un
combustible sólido.
30
Figura # 6: Diagrama en bloque auditoria energética para el proceso de fabricación de pelletizados.
3.7 METODOLOGIA Y ESTIMACIÓN ENERGÉTICA DE LOS LIGNOGRANOS DE MADERA PRODUCIDOS EN EL PROYECTO.
Para tener una mayor claridad sobre el valor energético la metodología aplicada para determinar la energía que nos entrega los lignogranos de madera se toma como indicador la variedad de Roble 1kg de pellets de B.R.M el poder calorífico (Kcal) es de 4356 Kcal/kg, aplicándole el factor de conversión de kWh a Kcal, donde para generar 1kWh se requiere de 860 Kcal (Valter Francescato, 2008).
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Tabla # 5: Tabla de inventarios de equipos que intervienen en el proceso de peletizados.
Descripción Cantidad
1 Chippeadora (Proceso de astillado). 1
2 -Secador de flujo de aire (Proceso de secado) -Colector de polvo (Proceso de secado).
2
3 Elevador de tornillo (proceso de almacenamiento de astilla). 1
4 Alimentador de tornillo (Proceso de almacenamiento de astilla). 1
5 Trituradora de martillo (Proceso de reducción tamaño de la astilla). 1
6 Elevador de tornillo (Proceso de reducción tamaño de la astilla). 1
7 Alimentador de tornillo (Proceso de reducción tamaño de la astilla). 1
8 Tamizado o cribado (Proceso de tamizado o cribado). 1
9 Elevador de tornillo (proceso de almacenamiento de astilla procesada).
1
10 Alimentador de tornillo (Proceso de almacenamiento de astilla procesada).
1
11 Proceso de Pelletizado(Proceso de peletizado). 1
12 Máquina de refrigeración horizontal y aspirador(Proceso de Pelletizado).
1
13 Elevador de tornillo (Proceso de peletizado y almacenaje). 1
14 Alimentador de tornillo (Proceso de peletizado y almacenaje). 1
15 Otros; lo gastado en otros equipos eléctrico de la parte operativa, bombillos Y Toma corriente
1
16 Trasporte o movilidad usada en el proceso de peletizado Equivalente a 100 Km
1
3.8 IMPACTO AMBIENTAL DE LA BIOMASA RESIDUAL DE MADERA Y A SU VEZ LA TRANSFORMACIÓN EN LIGNOGRANOS.
La combustión de la madera en forma de Pellets libera alrededor de 0.055 kg de CO2 por kWh, mientras que el carbón 0.3 kg de CO2 por kWh, el gasoil 0.25 o un 0.19 el gas natural kg de CO2 por kWh. Traducido a porcentajes podríamos decir que los pellets de madera son entre un 71% y un 82% más limpia que otros combustibles utilizados.1
Para el caso de la investigación se toma como parámetro base y calculo la información ya mencionada.
1Emisiones por fuente energética: (The EngineeringTool Box, 2005). Cantidad de energía empleada: (FAO, 1992)
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4. RESULTADOS Y DISCUSIONES
4.1 RESULTADO DE LAS FUENTES DE LA BIOMASA E ÍNDICE DE DISPONIBILIDAD
El proceso de trasformar cualquier tipo de biomasa cual sea el propósito que se quiera se debe determinar muy preciso y confiablemente la disponibilidad del material a procesar, en resumen es lo único que garantizaría los costos y la perduración en el tiempo del proyecto. Después de aplicar el formato del instrumento establecido los resultados obtenidos son:
Tabla # 6: Formato diligenciado del IDI.
Formato Análisis Índice de disponibilidad (IDI) de la biomasa de madera
Nro. Criterio Descripción Alto Medio Bajo
1 Existencia - en cantidad peso o volumen de recurso en unidad de superficie de biomasa.
X
2 Equilibrio o periocidad
frecuencia o taza de generación del recurso por día mes, año o ciclo de producción
X
3 Esparcimiento Dispersión o concentración del recurso en un punto específico
X
4 Efectos Efectos o Impacto local visible en la zona X
5 Experiencias Experiencias o uso establecido del recurso como por ejemplo abono, forraje, artesanías u otros
X
6 Exigencias
Exigencias o Accesibilidad legal y física incluye
propiedades particular, restricciones legales de áreas protegidas u otras como situaciones de terrenos dificultosos.
X
7 Estimación Estimación o percepción sobre el recurso y su interés de uso o aceptación social.
X
8 Expectativa Perspectiva de existencia futura del recurso en calidad y cantidad.
X
Total De Puntuación Valorada 60
Escala de Valoración De Los Criterios:Máxima puntuación que se puede lograr entre los 8 criterios es de 80 puntos
-Bajo = 0 - Medio=5 - Alto=10
*Tabla De autoría propia
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Los criterios se fundamentan y argumenta de la siguiente manera:
Criterio Nro.1- El recurso se genera en el proyecto La Gloria proveniente de la actividad de aserrado de 1.500 Mts³ de madera mes, si se lleva al valor en peso este volumen equivale a la misma cantidad en Toneladas mes, valor bastante importante en la industria maderera del país ya que se debe tener en cuenta que Colombia su vocación agrícola no es maderera en un gran porcentaje; en este criterio se establece una puntuación de 10 puntos.
Criterio Nro.2- La periodicidad o taza de generación de este material de biomasa residual de madera en el mes se toma bajo un criterio de producción de 25 días mes; ya que no se tiene una disponibilidad de trabajo o producción de 24 horas sino están sujetas a un sistema de jornales campesinos; en este criterio se establece una puntuación de 5 puntos.
Criterio Nro.3- El recurso de biomasa se encuentra concentrado en un área del aserradero no mayor a 500 mts² a la redonda, apilados en montones o arrumes de este material ya sea en aserrín, cascara o corteza, trosas de madera, astillas o leña, valor agregado ya que no requiere de gastos en desplazamiento o trasportes elevados; en este criterio se establece una puntuación de 10 puntos.
Criterio Nro.4- El impacto que produce este material a la zona es alto ya que en la actualidad se procede a quemarse o sepultarse; en este criterio se establece una puntuación de 0 puntos.
Criterio Nro.5- es útil en la preparación y fertilización en forma de abono en los semilleros de la reforestadora como también se usa bajos los criterios de compostaje en sus diferentes lotes; en este criterio se establece una puntuación de 5 puntos.
Criterio Nro.6- No se detectan restricciones legales a razón que el proyecto cuenta con respaldos de entidades reguladoras a nivel mundial de cultivos o sistemas silvícolas en reforestación como también el terreno es asequible por tratarse de una zona totalmente plana denominada Sabana De San Ángel; en este criterio se establece una puntuación de 10 puntos.
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Criterio Nro.7- Existe aceptación e interés por parte de la comunidad y la empresa reforestadoraen convertir este material de biomasa residual en un combustible sólido; en este criterio se establece una puntuación de 10 puntos.
Criterio Nro.8- en este caso los propietarios de las 7.019 hectáreas de tierra cultivables es la empresa reforestadora por tal razón se afirmaría que si hay perpetuidad del recurso por los menos hasta que termine de crecer u alcanzar algún tipo de madurez los arboles ya sembrados que es de aproximadamente 40 años; en este criterio se establece una puntuación de 10 puntos.
Valorados estos 8 criterios se obtendría una puntuación total de 60/80; planteando la formula tenemos:
IDI (%)=
Resolviendo la fórmula:
IDI (%)= ; el resultado es 75 %
Escalas y rangos Internacionales de medición de IDI:
- ÓPTIMO: cuando el recurso muestra un IDI o disponibilidad de 81 a 100%.
- ESTABLE: cuando el recurso muestra un IDI o disponibilidad de entre 61 a 80%.
- INESTABLE: cuando el recurso muestra un IDI o disponibilidad entre 41 a 60%.
- CRÍTICO: cuando el recurso muestra un IDI o disponibilidad de entre 21 a 40%.
- COLAPSO: cuando el recurso muestra un IDI o disponibilidad de entre 0 a 20%.
Con este resultado se concluye que el IDI para el proyecta La Gloria es ESTABLE.
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4.2 RESULTADO DE LA PRUEBA ANÁLISIS APROXIMADO DE BIOMASA
Después de procesadas las dos muestras de Biomasa residual de maderas la cuales se rotularon como Muestra # 1 - Teca (Tectona Grandis) y Muestra # 2 - Roble (Quercus Robur), se procesaron en el laboratorio de carbones de la Universidad Nacional –Sede Medellín, en las Tablas # 2 Y 3; se muestran claramente los resultados obtenidos del análisis aproximado cuyos indicadores a determinar son Humedad Residual, Contenido de Cenizas, Material volátil, Carbón Fijo, contenido de Azufre Y Poder Calorífica Superior (PCS).
Tabla # 7: Resultados de análisis aproximados- Muestra # 1.
PRUEBA POR ANÁLISIS APROXIMADO DE BIOMASA
Tipo De Maderas Descripción Parámetros Resultado
Valor De Referencia
CEN/TC 335
TECA
Humedad (%) 7,23 % <10 %
Contenido de Cenizas (%) 10,87% <0.7 %
Contenido de Carbón Fijo 11,35 % <22.8 %
Material Volátil 70,55% <75.2 %
Poder Calorífico Superior PCS – (Kcal/kg) o BTU/lb) 4117 kcal/kg >4392 kcal/kg
Poder Calorífico Inferior PCI – (Kcal/kg) o BTU/lb) 3827 kcal/kg <3000 kcal/kg
Contenido de Azufre (%S) 0,12% 0,05 %
Contenido de Lignina (%) 23.6 20-30 %
*Tabla De resultados entregado por laboratorio de carbones-UNAL-sede Medellín.
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Tabla # 8: Resultados de análisis aproximados-Muestra # 2.
PRUEBA POR ANÁLISIS APROXIMADO DE BIOMASA
Tipo De Maderas Descripción Parámetros Resultado
Valor De Referencia
CEN/TC 335
ROBLE
Humedad (%) 8,60 % <10 %
Contenido de Cenizas (%) 1,26% <0.7 %
Contenido de Carbón Fijo 15,96 % <22.8 %
Material Volátil 74,18% <75.2 %
Poder Calorífico Superior PCS – (Kcal/kg) o BTU/lb) 4356 kcal/kg >4392 kcal/kg
Poder Calorífico Inferior PCI – (Kcal/kg) o BTU/lb) 4034 kcal/kg <3000 kcal/kg
Contenido de Azufre (%S) 0,09% 0,05 %
Contenido de Lignina (%) 26.4 25-30 %
*Tabla de resultados entregado por laboratorio de carbones-UNAL-sede Medellín.
La composición elemental de una sustancia de biocombustible es su contenido (porcentaje en masa) de carbono, hidrógeno, azufre, oxígeno, nitrógeno, humedad y cenizas. Son las características técnicas más importantes del combustible, y constituye la base para los análisis de los procesos de combustión. La ceniza de un combustible se entiende como las materias minerales que la acompañan. Determinadas a partir del residuo de la muestra seca resultante de someterla en una mufla eléctrica a 850ºC durante 5 horas.
-Resultados de la prueba de humedad.
La Humedad Residual de la Biomasa, Definida como la pérdida en peso de la muestra a 105ºC hasta alcanzar el peso constante, para este caso sus valores son de 7.23% para la muestra #1 y 8.6% para la muestra #2. El contenido de humedad debe ser lo más bajo posible, generalmente en un intervalo de 10-15%,ya que un valor más alto presenta problemas en la combustión y se requeriría de energía en exceso para el proceso de secado.
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- Resultado del Contenido de Ceniza.
En el caso de los valores para el contenido de cenizas fueron de 10.87% para aserrín de la muestra #1 y de 1,26% para aserrín de la muestra #2, el conocer el contenido de cenizas indica si la biomasa en estudio puede alcanzar una combustión casi total. Según (Telmo, 2010).
-Resultado Poder Calorífico Superior (PCS).
El poder calorífico superior (PCS), es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa del combustible cuando el vapor de agua originado en la combustión está condensado. De esta forma se contabiliza el calor desprendido en este cambio de fase. También es llamado poder calórico neto; Retomando los resultados de la tabla #2 Y 3; notamos que el PCS obtenidos en la Muestra #1-(Teca) es de 4117 kcal/kg o BTU/lb Y para la Muestra # 2-(Roble) es de 4356 kcal/kg o BTU/lb, estos resultados demuestran que esta biomasa es un producto competitivo en el mercado, ya que se encuentra en el mismo intervalo del tipo de biomasa leñosa que tiende a poseer un poder calorífico de 3.000 a 5.000 Kcal/Kg; aunque si los comparamos con el carbón mineral y este tenga un alto poder calorífico, pierde ventaja por ser menos reactivo. Obtenido el poder calorífico superior (PCS) es primordial determinar su Poder Calorífico Inferior (PCI), este resultado nos ayuda a determinar la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de combustible sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de agua de la combustión, ya que no se produce cambio de fase, sino que se expulsa en forma de vapor, para este caso Determinado ya los valores de la cantidad de Humedad y de Hidrogeno de las muestras #1 y 2, podemos determinar y a calcular su Poder Calorífico Inferior (PCI), tomando como modelo la fórmula estándar planteada los resultados son los siguiente en la Muestra #1-(Teca) es de 3827 kcal/kg o BTU/lb Y para la Muestra # 2-(Roble) es de 4034 kcal/kg o BTU/lb
Determinamos para dos casos su PCI no presentan tanta variedad frente al PCS, esto nos indica que la B.R.M analizada es un producto con un alto valor competitivo. Para el materia volátil este se definido como la perdida en peso al calentar la muestra en atmósfera inerte (sin oxígeno). Obtenidos a partir de la pérdida en peso de la muestra, previamente secada y triturada en molino con mallas de 0.255 micras y sometidas en horno de mufla a 950ºC en crisol tapado con un tiempo de residencia de 7 minutos previo calentamiento progresivo; someterse la muestra a
38
este proceso su resultado fue de 70.5,3% para biomasa de La muestra #1 y de 74,18% para biomasa De la muestra #2.
-Resultado del contenido de carbón fijo.
Teniendo más en cuenta el indicador del carbono fijoes la parte no volátil que se quema en estado sólido; según la Tablas 6 Y 7, sus valores son de 11.35% para la muestra #1 y 15.96% para la muestra #2.
-Resultado del material volátil.
Componentes que se liberan en forma de gases y vapores (HC)al descomponerse térmicamente la materia. Si existe O2en el exterior y alta temperatura se oxidan, produciendo una llama. Biomasa tiene un contenido alto de volátiles en un estándar aproximado del 80%. Que para el caso de la muestra # 1 es de 70.55% y para la muestra #2 es de 74.18%.
-Resultado del contenido de azufre.
El contenido de azufre nos determina e indica si la biomasa puede alcanzar una combustión casi total según (Telmo, 2010).Analizando el caso de las muestra # 6 y 7, se obtuvo el 0,12% para la muestra # 1 y 0.09% para la muestra #2, este indicador es uno de los más importantes en un biocombustible sólido ya que si esta concentración esta por encina de los niveles de 0.2%forma gases de SO2(Óxido De azufre) y, algunas veces de SO3(Trióxido De azufre) este último altamente toxico.
4.3 RESULTADO DE ANÁLISIS ELEMENTAL CHN
Para el caso del Análisis Elemental se remitieron dos muestras de biomasa Teca y Roble al laboratorio de hidrocarburos y ciencia de la energía de la Universidad nacional sede Medellín, rotuladas bajo los nombre de Muestra #1-(Teca) y Muestra #2- (Roble), donde los resultados obtenidos lo muestra la siguiente tabla.
39
Tabla # 9: Resultados de análisis elemental-CHN.
Tipo De Maderas Descripción Parámetros Resultado
TECA
Contenido de Carbono(%C) 41.55 %
Contenido de Hidrogeno (%H) 4.58 %
Contenido de Nitrógeno (%N) 0.21%
ROBLE
Contenido de Carbono(%C) 43.26 %
Contenido de Hidrogeno (%H) 5.03 %
Contenido de Nitrógeno (%N) 0.26 %
*Tabla De resultados entregado por laboratorio de la Energía-UNAL-sede Medellín.
Analizando los resultados como a su vez la tabla # 4, el Carbono obtenido para la
muestra de TECA es de 41.55% y en el caso de la muestra de Robles es de 43.26%, estos valores nos indican que el material de biomasa que contenga altos porcentaje de contenido de carbono es de beneficio para fines energéticos.
El Hidrogeno en la TECA es de 4.58% y en el ROBLE es de 5.03% esto nos da como indicador que suministra energía adicional al proceso de oxidación que, sumado a la energía producida por el carbono.
Para el Nitrógeno en la muestra de TECA es de 0.21% y en el ROBLE es de 0.26%; se debe tener en cuenta que para biomasa de madera este valor es bastante bajo ya que si hay incremento esto tiene un impacto directo en la formación de óxidos de nitrógeno (NOx) que, durante la combustión, se transforman en gases y no quedan en las cenizas.
Si se observa la tabla de resultados Del Análisis Elemental no tamos que no se ha determinado el oxígeno de las dos muestras de B.R.M, por esta razón se
procede a determinarla:
%O = 100-%C-%H-%N-%S-%Cz.
- %C = Porcentaje de Carbón Obtenido en el Análisis Elemental.
- %H = Porcentaje de Hidrogeno Obtenido en el Análisis Elemental.
- %N = Porcentaje de Nitrógeno Obtenido en el Análisis Elemental.
- %S = Porcentaje de Azufre Total Obtenido en el Análisis Aproximado.
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- %Cz = Porcentaje de Ceniza Obtenido en el Análisis Aproximado. *Resultados para TECA:
%O = 100- 41.55 - 4.58 - 0.21- 0.12 - 10.87 42,67% Oxigeno
*Resultados para ROBLE:
%O = 100- 43.26 - 5.03 - 0.26 - 0.09 - 1.26 50,1% Oxigeno
4.4 MARCO NORMATIVO ADECUADO PARA LA FABRICACIÓN DE PELLETS DE B.R.M.
Esta norma nos establece los Biocombustibles sólidos - Requisitos de combustible y las clases - Parte 2: Pellets de madera para uso no industrial, aplicando el requisito III/ EN14961-1:2010 y según como los podemos mostrar en la tabla # 4:
Tabla # 10: Resumen Normas establecidas para la fabricación de pellets.
*Tabla de autoría propia
41
4.5 RESULTADOS DEL PROCESO Y FABRICACIÓN PELLETS DE MADERA BIOMASA.
Procesar la B.R.M requiere de temperatura y fuerzas de compresión muy características al material que se quiere peletizar, para tal fin es indispensable determinar una línea de proceso industrial como se define en la siguiente figura 7: Según la gráfica representada en un diagrama de flujo del proceso de producción de Pellets, Para este caso se estimó un porcentaje de desperdicio de 31,2%en el proceso, del cual su resultado es de 2,67 Toneladas de pellets por hora. Esta estimación para determinar el tamaño de lo que se produciría por día se basa en la capacidad mínima de la maquinaria que procesa esta B.R.M. En el proyecto la Gloria se encuentra alrededor de una tonelada por hora mínimo y un máximo de 3,5 toneladas. Mensualmente, Esto es aproximadamente 600 toneladas de biomasa de madera Residual mes; La línea de proceso del material seria:
- Chippeadora o proceso de Astillado:
En este proceso, la madera se reduce por medio de un proceso de estrusado, en leños, trozas o pedazos de madera en pequeñas astillas no mayor a 1 Pulgada. Este material entra en su estado natural con un factor de humedad aproximado del 37%; en el proceso se tiene un desperdicio o pérdida del 1% del material astillado.
- Proceso de secado: Antes de pasar el material a ser apilado y posteriormente triturado, por el alto grado de humedad que trae el material de Biomasa y evitando una posible reproducción bacteria y hongos del material en el apile, el astillado es sometido a un proceso de secado que consiste en extraer gran parte del agua o humedad del material que es del 37%, en una góndola o tambor – Horno rotativo calentado a una temperatura no mayor 58ºC se debe de lograr una evaporación de la humedad del material hasta un 14%, el agua se evapora y no es recuperada, el horno de secado es alimentado con parte del material de biomasa que se esté procesando, en este proceso se pierde el 21% por masa evaporada, adicional en este proceso se utilizaría un 7% de energía total para realizar el proceso de secado.
- Elevador y alimentador de tornillo:
Es la etapa encargada de trasportar por tubos el material, lo realiza con un tornillo sin fin o gusanillo rotativo que lleva el material de biomasa al otro extremo del tubo.
42
Figura # 7: Diagrama de flujo del proceso de pelletizado.
43
- Almacenamiento astilla:
Se apila en patio cubierto limpio y sobre una superficie de concreto el material astillado ya previamente seco a un 14% de humedad.
- Triturado de martillo:
Cuando la materia prima es de dimensiones considerables como astillas. Se debe además del triturado y molido para conseguir una mayor homogeneidad y una granulometría adecuada, inferior al diámetro del pellets que se desea fabricar la unión de partículas es tanto mayor cuanto más fina es su granulometría, hasta valores de 0,5 mm, a partir del cual el proceso comienza a presentar problemas, partículas mayores dificultan la fractura del producto, en este proceso se tiene una pérdida de 0.5 % del material procesado.
- Tamizado o cribado:
consiste en que la biomasa ya seca y triturada son clasificados con ayuda de varios tamices vibrantes ubicados en el interior de una tolva que obtienen diferentes grados de Granulometría, los restos que son demasiado gruesos vuelven al proceso de trituración mientras que el resto entra al proceso. Pueden también eliminar las partículas menores a 0,3 mm, aunque no es muy frecuente tomarse con estas partículas.
- Almacenamiento astilla reprocesada al 12% Humedad: Es el lugar donde se almacena la biomasa hasta el momento de procesarla, esta no debe ser totalmente cerrada para que las corrientes de aire puedan ayudar al secado natural y mantener este nivel de humedad.
- Proceso de Pelletizado: El proceso fundamental se basa en proceso de compactación de material lignocelulósicos; es decir, los residuos de madera ubicados sobre una matriz metálica dotada de orificios estandarizados del mismo calibre, son compactados por rodillos a presión constante y de forma continua, a una alta temperatura de esta manera se logra la densificación del material. El tamaño de la partícula debe tener alrededor 0,5 cm. · La compactación de la biomasa debe ser de 1 a 6 veces su volumen. Los agujeros de extrusión de la matriz deben tener una forma cilíndrica, con diámetros de 0,5 a 2,5 cm y de 1 cm a 3 cm de longitud. Estos factores son de diseño y varían de acuerdo a las características que se desee dar al producto final; En este proceso las pérdidas son muy mínimas 0.02%.
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- Máquina de refrigeración horizontal y aspirador: Al salir el pellets de la prensa Peletizadora, las altas temperaturas que adopta lo hacen frágil y propenso a la formación de hongos, es por eso que es muy importante incorporar equipos que bajen de forma consistente la temperatura del producto, Posterior al proceso de enfriado, el pellets frio pasa a ser tamizado con sistema de vibrado para separar el polvo que pudo haber escapado por las orillas de la Peletizadora, el cual es devuelto como materia prima del proceso de producción Los pellets son transportados a un silo de almacenamiento o directamente al envasado.
4.6 RESULTADOS DE AUDITORIA Y ESTIMACION DE LA ENERGIA ELECTRICA USADA EN LA PRODUCCION DE LIGNOGRANOS DE MADERA.
La energía eléctrica usada en la planta es la usada durante todo el proceso de
aserrado de los 1500 mts³ de madera al mes y se debe de recordar que la
Biomasa residual es un valor agregado al proceso de aserrado ya que para el
aserradero es un material de desecho, se debe ser muy claro que realmente los
desechos de biomasa son los que van a transformarse en lignogranos y son a los
que nuevamente se requiere de una determinada energía eléctrica para su
proceso en combustible sólido.
Los resultados obtenidos en la auditoria son los siguientes:
- Estudio de la situación energética actual, se evidencia el uso de energía eléctrica
de alta tensión provenientes del sistema de interconexión nacional, revisando las
facturas de energía del consumo por mes de la planta se evidencia que la energía
eléctrica gastada en promedio de los últimos seis meses y en 24 días al mes en
operación se desglosa de la siguiente forma Energía Pico AT 21600kWh, Energía
Fuera De Pico AT 57600 kWh y Energía Activa AT 18000kWh; para un total de
79,2 MWh promedio día de 3,3 MWh.
Adicional se debe de agregar un total del 30% de la energía eléctrica diaria, que
se debe generar con generadores diesel, equivalente a 990 kWh para un total de
4,29 MWh al día de energía gastada.
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-Identificación de áreas o forma del cómo se gasta la energía, en la actualidad el
aserradero no cuenta planos eléctricos de las diferentes secciones de la planta,
medidores de control en estas zonas o plan de auditoría energética que indique el
gasto energético de estas secciones, los valores se toma en base a facturas
eléctricas pagadas en los últimos seis meses.
Figura # 8: Diagrama en bloque de la distribución de la energía eléctrica consumida en el proceso.
4.6.1 Estimación de la energía eléctrica usada en la producción de lignogranos de
madera.
Se debe estimar la cantidad de energía eléctrica que requiere todo el proceso para la producción de este combustible sólido, la maquina se cotiza en Henan – República Popular China, De la compañía Zhengzhou Allance Trading Co., Ltd; y
46
Según la tabla 11, la cantidad de la energía que el sistema gastaría en producir estos lignogranos es:
Tabla # 11: Resumen de la cantidad de energía gastada en el proceso de peletizado.
Descripción Cantidad
Potencia Consumida
kWh
1 Chippeadora(Proceso de astillado). 1 30
2 -Secador de flujo de aire (Proceso de secado) -Colector de polvo (Proceso de secado).
2 7,5
3 Elevador de tornillo (proceso de almacenamiento de astilla).
1 1,5
4 Alimentador de tornillo (Proceso de almacenamiento de astilla).
1 1,5
5 Trituradora de martillo (Proceso de reducción tamaño de la astilla).
1 30
6 Elevador de tornillo (Proceso de reducción tamaño de la astilla).
1 1,5
7 Alimentador de tornillo (Proceso de reducción tamaño de la astilla).
1 1,5
8 Tamizado o cribado (Proceso de tamizado o cribado).
1 1
9 Elevador de tornillo (proceso de almacenamiento de astilla procesada).
1 1,5
10 Alimentador de tornillo (Proceso de almacenamiento de astilla procesada).
1 1,5
11 Proceso de Pelletizado (Proceso de peletizado). 1 30
12 Máquina de refrigeración horizontal y aspirador (Proceso de Pelletizado).
1 5,5
13 Elevador de tornillo (Proceso de peletizado y almacenaje).
1 1,5
14 Alimentador de tornillo (Proceso de peletizado y almacenaje).
1 1,5
15 Otros; lo gastado en otros equipos eléctrico de la parte operativa, bombillos Y Toma corriente
1 25
16 Trasporte o movilidad usada en el proceso de peletizado Equivalente a 100 Km
1 69
Total De Energía Eléctrica Gastado 210 kWh
*Tabla de autoría propia
47
4.7 RESULTADOS DE LA ESTIMACIÓN ENERGÉTICA DE LOS LIGNOGRANOS DE MADERA PRODUCIDOS EN EL PROYECTO.
Para tener una mayor claridad sobre el valor energético y buscando darle un sentido de balance energético; se concluye, en el caso de la variedad de Roble 1kg de pellets de B.R.M el poder calorífico (Kcal) es de 4356 Kcal/kg, aplicándole el factor de conversión de kWh a Kcal, donde para generar 1kWh se requiere de 860 Kcal (Valter Francescato, 2008), aplicando la conversión al ejemplo tenemos: Resolviendo la operación afirmamos que por kilo de combustible peletizado se obtendría:
= 5 kWh
Para el caso en común se determinaría que 1 Tonelada de pellets es igual a 5MWh de energía, si de nuestro proceso tenemos 21.39 toneladas el total del potencial energético al día seria de 107 MWh, en una hora laborar tendríamos 2,67 toneladas de residuos de biomasa su valor energético es de 13,35 MWh; se resalta que el valor energético dado en kWh es un valor producto de unas constantes de conversión muy comúnmente especificada en cualquier libro de termodinámica, su realidad es el valor ya convertido solo es útil el 40%, si tenemos 13,35 MWh llevándolo a su contexto de energía real eléctrica seria de 5,34 MWh
Tabla # 12: Resultado del balance energético.
Balance Energético
Descripción Cantidad Total KWh
Energía Eléctrica gastada en el proceso De Pelletizado X Hora
210 210
Energía Eléctrica que podría Producir es de 2.67 Ton./Pellets x Hora
5340 5340
Total De Energía Eléctrica Producida Por el Combustible Peletizado x hora
5130 KWh
*Tabla de autoría propia
48
4.8 RESULTADOS DEL IMPACTO AMBIENTAL DE LOS LIGNOGRANOS FABRICADO MEDIANTE ESTE MODELO
La combustión de la madera en forma de Pellets libera alrededor de 0.055 kg de CO2 por kWh, mientras que el carbón 0.3 kg de CO2 por kWh, el gasoil 0.25 o un 0.19 el gas natural kg de CO2 por kWh. Traducido a porcentajes podríamos decir que los pellets de madera son entre un 71% y un 82% más limpia que otros combustibles utilizados.2 Tomando como indicador el total de energía que podría producir en una hora nuestro combustible sólido, que es de 2,92 Toneladas, generaría un total de 160,6 Kg De CO2 por hora para un total de 1,17 Toneladas De CO2 Día, la cual sería inferior a 21,39 Toneladas netas de B.R.M que se quemarían o sepultarían al día en estos momentos, se estaría reduciendo en 94,5 % la contaminación que generaría este residuo en la zona.
2Emisiones por fuente energética: (TheEngineeringTool Box, 2005). Cantidad de energía empleada: (FAO, 1992)
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5. CONCLUSIONES.
Se concluye en el volumen de Biomasa de las dos variedad como a su vez por tratarse de solo material de desecho del tronco de la variedad analizada su potencial energético es alto y es viable usar este material de biomasa para la producción de biocombustibles sólidos, ayudando así a recuperar a la empresa del 32% de sus cultivos maderos se estableció que el IDI es del 60% equivalente a un estado estable.
Para el caso del proyecto la gloria los resultados arrojados por los análisis Aproximado y el Elemental CHN nos muestra que las dos Biomasa analizada de muestras cumple con los requisitos de la normas internacionales CEN/TC 335 con referencia principalmente en Su poder calorífico tanto el superior como el inferior, pero su contenido de azufre total no son nada alentadores a razón que están superando más de lo dictado por las normas internacionales que es de 0,02% si se quemara este material produciría gases de SO2(Óxido De azufre) y, algunas veces de SO3(Trióxido De azufre).
Los indicadores de lignina de las muestras analizadas están en el promedio de 23.6% y 26.4%, cumpliendo así el promedio de contenido de lignina que debe de tener el material de biomasa de madera para ser procesado que es del 20% al 30%.
En el caso de la fabricación de los pellets de madera por las características fisicoquímicas del material y adoptando las normas internacionales CEN/TC 335 para la fabricación de pellets es el uso de peletizado por matriz anular.
Energéticamente es eficiente el combustible peletizado ya que su fabricación no alcanza a consume el 20% de su potencial energía, su eficiencia energética seria del 83.7%, evitando así el posible vertimiento de 30Toneladas Días de CO2 a La atmosfera.
Al peletizar la B.R.M es notoria del impacto ambienta en la zona ya que no se quemaría 21.39 toneladas neta de B.R.M día que en proporción al CO2 emitido es igual, al procesar esta B.R.M se reduce esta emisión en un 94.5 % menos, produciendo solo 2.92 Toneladas Día de CO2.
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53
7. ANEXOS
Anexo A. Informe de resultados laboratorio carbón, análisis aproximado-UNAL, sede Medellín; Muestra #1.
Anexo B. Informe de resultados laboratorio carbón, análisis aproximado-UNAL, sede Medellín; Muestra #2.
Anexo C. Informe de resultados laboratorio ciencias de la energía, análisis CHN-UNAL, sede Medellín.
54
Anexo A.: Informe de resultados laboratorio carbón, análisis aproximado-UNAL, sede Medellín; Muestra #1.
55
Anexo B. : Informe de resultados laboratorio carbón, análisis aproximado-UNAL, sede Medellín; Muestra #2.
56
Anexo C. : Informe de resultados laboratorio ciencias de la energía, análisis CHN-UNAL, sede Medellín.