cálculo de producción de biogás y combustible - aire a...

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Cálculo de producción de Biogás y Combustible - Aire a partir de residuos orgánicos de la Central de Abasto de Villavicencio. Obeth Hernan Romero Ocampo 1 Corporación Universitaria del Meta, Villavicencio Calle 32 34B-26, Colombia [email protected] [email protected] Resumen. En el presente artículo se muestran los cálculos y aproximaciones para obtener la producción de biogás con base en los residuos orgánicos de una plaza de mercado y la relación combustible Aire, datos que fueron suministrado por la Cen- tral de Abasto de Villavicencio Meta - Colombia. La producción de residuos orgá- nicos que se genera en la central de abasto de Villavicencio son 36.1 toneladas men- suales correspondiente a 83 locales que tiene la plaza de mercado distribuido entre frutas y verduras. Haciendo la conversión a kilogramos da 36100 kg que se ve repre- sentado en 1203.33kg diarios de residuos generados. A partir del proceso que se genera en la materia orgánica biodegradable rápidamente los resultados de la rela- ción combustible-aire cuando se queman los residuos orgánicos, que tiene un análisis final por masa de 48.0% C, 6.4% H 2 , 37.6% O 2 , 2.6% N 2 , 0.4% S y 5% de cenizas (no combustibles), con relación al 10%, 20% y 30% de exceso de aire que se calcula para la cantidad necesaria de oxigeno requerido para completar la combustión. Palabras Claves: Biomasa, Biogás, Biodigestor, Residuos Orgánicos, Combus- tión. 1 Introducción Los residuos orgánicos que se genera en los centros de acopios o plazas de mercado es una alternativa para la generación de energía. Con base a la información obtenida por la Central de Abasto de Villavicencio se podrá calcular la cantidad de biogás que puede generar este centro de acopio y su relación combustible aire, teniendo en cuenta que la mayoría de los residuos obtenido son: frutas, verduras y hortalizas. Mediante descomposición microbiológica de la biomasa se forma el biogás, el cual es gas combustible. Este proceso se realiza de manera natural en un ambiente anaeróbico y húmedo (biodigestor). En este proceso se forma principalmente metano con un buen poder calorífico utilizado en su mayoría para la generación de electricidad.

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Cálculo de producción de Biogás y Combustible - Aire a

partir de residuos orgánicos de la Central de Abasto de

Villavicencio.

Obeth Hernan Romero Ocampo

1 Corporación Universitaria del Meta, Villavicencio Calle 32 34B-26, Colombia

[email protected]

[email protected]

Resumen. En el presente artículo se muestran los cálculos y aproximaciones para

obtener la producción de biogás con base en los residuos orgánicos de una plaza de

mercado y la relación combustible – Aire, datos que fueron suministrado por la Cen-

tral de Abasto de Villavicencio – Meta - Colombia. La producción de residuos orgá-

nicos que se genera en la central de abasto de Villavicencio son 36.1 toneladas men-

suales correspondiente a 83 locales que tiene la plaza de mercado distribuido entre

frutas y verduras. Haciendo la conversión a kilogramos da 36100 kg que se ve repre-

sentado en 1203.33kg diarios de residuos generados. A partir del proceso que se

genera en la materia orgánica biodegradable rápidamente los resultados de la rela-

ción combustible-aire cuando se queman los residuos orgánicos, que tiene un análisis

final por masa de 48.0% C, 6.4% H2, 37.6% O2, 2.6% N2, 0.4% S y 5% de cenizas (no

combustibles), con relación al 10%, 20% y 30% de exceso de aire que se calcula para

la cantidad necesaria de oxigeno requerido para completar la combustión.

Palabras Claves: Biomasa, Biogás, Biodigestor, Residuos Orgánicos, Combus-

tión.

1 Introducción

Los residuos orgánicos que se genera en los centros de acopios o plazas de mercado es una

alternativa para la generación de energía. Con base a la información obtenida por la Central de

Abasto de Villavicencio se podrá calcular la cantidad de biogás que puede generar este centro

de acopio y su relación combustible – aire, teniendo en cuenta que la mayoría de los residuos

obtenido son: frutas, verduras y hortalizas. Mediante descomposición microbiológica de la

biomasa se forma el biogás, el cual es gas combustible. Este proceso se realiza de manera

natural en un ambiente anaeróbico y húmedo (biodigestor). En este proceso se forma

principalmente metano con un buen poder calorífico utilizado en su mayoría para la generación

de electricidad.

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Realizando una búsqueda de información que nos brinde los datos de residuos orgánicos en un

centro de acopio o plaza de mercado para calcular la generación de biogás y relación de Com-

bustible – Aire. Se tiene en cuenta la clasificación de la Biomasa para este proceso donde se

genere el biogás a partir de los residuos orgánicos.

Con respecto a la biomasa se puede decir que constituye la forma de energía más importante y

de mayor potencial después de la energía solar, está constituida por la materia vegetal (genera-

da a través de la fotosíntesis), o de sus derivados, tales como los residuos forestales y agrícolas.

La biomasa contiene energía química que proviene de la transformación de la energía prove-

niente de la radiación solar. Esta energía química puede ser liberada de manera directa, median-

te la combustión, o indirecta, mediante la transformación (termoquímica o bioquímica), entre

otras formas de energía más adecuadas como alcohol, el carbón vegetal, el biodiesel o el bio-

gás, entre otras [1].

2 Materiales y métodos

2.1 Materiales

Equipo de cómputo y software (excel)

2.2 Metodología

Calcular la producción de biogás con base en los residuos orgánicos y la relación combustible-

Aire de la central de Abasto de Villavicencio.

Estimar el contenido energético de los residuos orgánicos a partir de su contenido químico.

Se consulta la cantidad en peso de residuos orgánicos que se produce en la central de abasto de

Villavicencio. Y se clasifica la información de residuos orgánicos que produce la central de

abasto y la composición típica de los RSU

Determinar el volumen de Biogás generado por la central de abasto de Villavicencio.

A partir de la fórmula de Dulong modificada se estima el contenido energético de los RSU. Se

aplica la ecuación Tchobanoglous, Theisen, & Vigil, para determinar el volumen de biogas

generado en la central de abasto.

Establecer la relación Combustible – Aire de los residuos orgánicos de la Central de Abasto de

Villavicencio.

Se obtiene los porcentajes de cada elemento del residuo orgánico, de igual manera se calcula lo

que se requiere de oxígeno y la cantidad de producto por kg. Se realiza la misma operación para

el 10%, 20% y 30% de aire.

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3 Resultados

3.1 Cálculo de producción de Biogás

Se obtuvo los datos del centro de acopio de la ciudad de Villavicencio, información suministra-

da por la Gestora Ambiental.

Tabla 1. Información plaza de mercado

Teniendo en cuenta las tablas de Composición típica de los RSU. (Tchobanoglous, Theisen, &

Vigil, 1998)[2] Y su composición típica de RSU de un país latinoamericano. [1], se tomó como

base para hacer la distribución de los 1203.33 kg de residuos que genera el centro de acopio

diario de Villavicencio y se obtienen los siguientes datos:

Tabla 2. Composición típica de los RSU

Componentes

Orgánicos

Cant.

Hum

Porcentaje en peso (Base Seca)

C H O N S Cenizas

Comida Residuos 70,0 48,00 6,4 37,6 2,6 0,4 5,0

842,33 173,28 23,10 135,74 9,39 1,44 18,05

Los datos obtenidos en la tabla con el nombre de Composición típica de los RSU, se distribuyó

porcentualmente con sus correspondientes elementos y la cantidad en kilogramo que le corres-

ponde.

En esta tabla se estable el valor de kilogramos por cada elemento tanto con agua o sin agua.

Datos de la plaza Central de Abasto - Villavicencio-

Meta-Colombia

PLAZA DE MERCADO: C.A.V CIUDAD : VILLAVICENCIO

LOCALES DE VERDURAS Y

FRUTAS: 83

PRODUCCION DE RESIDUOS ORGANICO 36,1 TONELA MENSUAL.

HACIENDO LA CONVERSION EN KG NOS DA 36100 Kg. QUE SE VE

REPRESENTADO EN 1203,33 Kg DIARIO DE RESIDUOS

DIRECCIÓN: CALLE 1 # 18 - 17 ANILLO VIAL

TELEFONO: (057) 6823001 EXT : 105

PAGINA WEB: www.cav.com.co

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Tabla 3. Valor de kilogramo por cada elemento

Componente

Peso (Kg)

Sin

H2O

con

H2O

Carbono 173,28 173,28

Hidrogeno 23,10 76,58

Oxigeno 135,74 563,59

Nitrógeno 9,39 9,39

Azufre 1,44 1,44

Cenizas 18,05 18,05

Total (Kg) 361 842,33

El total del cálculo con agua, que se obtuvo de la Biomasa fue de 842.33 Kg, teniendo en cuen-

ta el contenido de humedad de los residuos orgánicos y la proporción de una mol de hidrogeno

por ocho de oxígeno.

Distribución en peso de la humedad de la biomasa de los residuos orgánicos.

Tabla 4. Peso de la humedad de la biomasa

Componente Prop. Kg

Hidrogeno 1 53,48

Oxigeno 8 427,85

Total (Kg) 9 481,33

Se calcula el número de moles por cada componente de la Biomasa, tanto para base seca como

húmeda.

Tabla 5. Números de moles por cada elemento de biomasa

Componente

Peso

Atm g/mol

Moles

Sin H2O con H2O

Carbono 12,01 14427,98 14427,98

Hidrogeno 1,01 22871,29 52950,50

Oxigeno 16,00 8483,75 26740,62

Nitrógeno 14,01 670,23 670,23

Azufre 32,07 44,90 44,90

Para determinar las formulas químicas que se necesitan para la aproximación con y sin azufre,

de igual manera con y sin agua, se requiere las relaciones mol normalizadas.

En la siguiente tabla se relacionan las moles normalizadas en relación al Nitrógeno y al Azufre.

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Tabla 6. Moles normalizadas

Componente

Relación mol

(N=1)

Relación mol

(S=1)

Sin

H2O

con

H2O

Sin

H2O

con

H2O

Carbono 21,5 21,5 321,3 321,3

Hidrogeno 34,1 79 509,4 1179,3

Oxigeno 12,7 39,9 189 595,6

Nitrógeno 1,0 1,0 15 15

Azufre 0,07 0,07 1,0 1,0

Con los cálculos obtenidos en la tabla de normalización de moles se obtienen los datos para la

fórmula:

Formulas químicas de la biomasa contenida en los RSU sin azufre:

En base seca (sin agua)

C21.5H34.1O12.7N

En base húmeda (con agua)

C21.5H79O39.9N

Fórmulas químicas de la biomasa contenida en los RSU con azufre:

En base seca (sin agua)

C321.3H509.4O189N15S

En base húmeda (con agua)

C321.3H1179.3O595.6N15S

3.2 Estimación del contenido energético de los RSU a partir de su contenido

químico:

El contenido energético de los RSU puede estimarse mediante la ecuación 1a conocida como

fórmula de Dulong modificada. (Singer, 1981). [1]

𝑘𝐽𝑘𝑔⁄ = [145𝐶 + 610 (𝐻2 −

1

8𝑂2) + 10𝑁 + 40𝑆] × 2326 (1𝑎)

𝑘𝑐𝑎𝑙𝑘𝑔⁄ = 80.56𝐶 + 338.89 (𝐻2 −

1

8𝑂2) + 5.56𝑁 + 22.22𝑆 (1𝑏)

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Dónde:

C es el porcentaje en peso del Carbono.

H2 es el porcentaje en peso del Hidrógeno.

O2 es el porcentaje en peso del Oxígeno.

N es el porcentaje en peso del Nitrógeno.

S es el porcentaje en peso del Azufre

En las ecuaciones el contenido de oxígeno está dividido por ocho y restado del hidrógeno para

justificar la cantidad de hidrógeno que reacciona con el oxígeno presente y, por lo tanto, no

contribuye al contenido energético de la biomasa [1].

En esta tabla se hace la distribución porcentual en peso de los elementos que conforman la

biomasa contenida en los residuos orgánicos.

Tabla 7. Distribución porcentual de peso de elementos biomasa

Componente

No.

Átomos

Peso

Atómico

Contribución

del peso Porcentaje

Carbono 321 12 3852 26,01

Hidrogeno 1179 1 1179 7,96

Oxigeno 596 16 9536 64,39

Nitrógeno 15 14 210 1,42

Azufre 1 32 32 0,22

Total

14809 100,00

Entonces, con base a los datos calculados en esta tabla podemos saber el contenido energético

de la biomasa:

𝑘𝐽𝑘𝑔⁄ = [145(26) + 610 (8.0 −

64.4

8) + 10(1.4) + 40(0.2)] × 2326

𝒌𝑱𝒌𝒈⁄ = 𝟖. 𝟕𝟒𝟗. 𝟐𝟒𝟗

𝑘𝑐𝑎𝑙𝑘𝑔⁄ = 80.56(26) + 338.89 (8.0 −

64.4

8) + 5.56(1.4) + 22.22(0.2)

𝒌𝒄𝒂𝒍𝒌𝒈⁄ = 𝟐𝟎𝟖𝟗, 𝟖𝟒

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3.3 Determinación del volumen de biogás generado en una central de abasto.

Para este cálculo se requiere conocer la composición química y molar de la biomasa rápida

biodegradable y aplicar la siguiente ecuación.

𝐶𝑎𝐻𝑏𝑂𝑐𝑁𝑑 + (4𝑎 − 𝑏 − 2𝑐 + 3𝑑

4) 𝐻2𝑂 →

→ (4𝑎 + 𝑏 − 2𝑐 − 3𝑑

8) 𝐶𝐻4 + (

4𝑎 − 𝑏 + 2𝑐 + 3𝑑

8) 𝐶𝑂2 + 𝑑𝑁𝐻3

(Tchobanoglous, Theisen, & Vigil, 1998). [2]

Calcular el volumen de biogás en la producción rápida generada por la biomasa contenida en

los residuos orgánicos.

Solución:

Se elabora una tabla para calcular y determinar la distribución porcentual de los elementos que

conforma los residuos orgánicos rápidos y biodegradables.

Cálculo para determinar la distribución porcentual de los elementos más importantes que

componen la biomasa rápida y biodegradable contenida en los residuos orgánicos.

Tabla 8. Distribución peso de elementos biomasa

En esta tabla se calcula la composición molar de los elementos despreciando la ceniza.

Tabla 9. Composición molar despreciando cenizas

C H O N S

g/mol 12,01 1,01 16 14,01 32,06

Total moles rápidamente biodegradable

14,43 22,88 8,48 0,67 0,05

En esta tabla se ve la relación mol normalizado a 1 mol de Nitrógeno.

Componen-

tes Orgánicos

Peso

Húmedo

Kg

Peso

Seco Kg

Composición en (Kg)

C H O N S Cenizas

Comida

Residuos 842,33 361 173,3 23,10 135,74 9,39 1,44 18,05

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Tabla 10. Relación molar normalizada

Componente

Relación mol (N=1)

Rápidamente

biodegradable

Carbono 21,54

Hidrogeno 34,14

Oxigeno 12,66

Nitrógeno 1,00

Con base en estos datos se hallan las formulas químicas sin azufre para el compuesto biodegra-

dable así:

Materia orgánica

𝐶21,54 𝐻34,14 𝑂12,7 𝑁

Rápidamente biodegradable usar

𝐶21,54 𝐻34,14 𝑂12,7 𝑁

Lo que corresponde a 510,41 g/mol. (Producto de multiplicar el número de moles por los pesos

moleculares respectivos).

Ahora al aplicar la ecuación, donde:

a = 32, b = 51, c = 21, d = 1, para la materia orgánica biodegradable rápidamente, (MOBR) los

siguientes resultados:

Rápidamente biodegradable:

1(𝑀𝑂𝐵𝑅) + 9.5𝐻2𝑂 → 16.75𝐶𝐻4 + 15.25𝐶𝑂2 + 𝑁𝐻3

𝑜 𝑠𝑒𝑎 1(510,41) + 9.5(18) → 16.75(16) + 15.25(44) + 1(17)

510,41 + 171 → 268 + 671 + 17

681.41 → 956

Manejo de decimales.

Para determinar el volumen de metano y de dióxido de carbono producido, se sabe que los

pesos específicos del metano y el dióxido de carbono son 0.717 y 1.978 kg/m3, respectivamen-

te, por lo tanto:

Rápidamente biodegradable:

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9

𝑀𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 =((268

𝑔𝑚𝑜𝑙⁄ )(204.51 𝑘𝑔))

((510.41𝑔

𝑚𝑜𝑙⁄ ) (0.717𝑘𝑔

𝑚3⁄ ))

= 𝟏𝟒𝟗. 𝟕𝟓 𝒎𝟑 𝑵

𝐷𝑖ó𝑥𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 =((671

𝑔𝑚𝑜𝑙⁄ )(204.51 𝑘𝑔))

((510,41𝑔

𝑚𝑜𝑙⁄ ) (1.978𝑘𝑔

𝑚3⁄ ))

= 𝟏𝟑𝟓. 𝟗𝟐 𝒎𝟑 𝑵

Ahora se puede determinar el volumen teórico de biogás generado por unidad de peso seco de

la materia orgánica biodegradada, así:

Rápidamente biodegradable

𝑣𝑜𝑙𝑘𝑔⁄ =

149.75𝑚3 + 135.92𝑚3

204.51 𝑘𝑔 = 𝟏. 𝟑𝟗 𝒎𝟑

𝒌𝒈⁄

3.4 Determinar la relación Combustible - Aire cuando se quema la biomasa.

La relación combustible-aire cuando se quema los residuos orgánicos, que tiene un análisis

final (por masa) de 48,0 % de C, 6,4% de H2, 37,6% de O2, 2,6% N2, 0,4% S y 5 % de cenizas

(no combustibles), con 10%, 20% y 30% de exceso de aire.

Conociendo los porcentajes de cada elemento:

Tabla 11. Porcentaje de componente de biomasa

Componente Porcentaje (%)

Carbono 48

Hidrogeno 6,4

Oxigeno 37,6

Nitrógeno 2,6

Azufre 0,4

Cenizas 5

La siguiente tabla muestra cómo se separa cada componente y se calcula la cantidad necesaria

de oxígeno requerido para completar la combustión.

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Tabla 12. Cantidad de oxigeno requerido para completar la combustión

Componente Masa/kg C Ec. Combustion O2 requerido por kg C producto /kg c

C

0,48

C+O2 --> CO2

12kgC+32kgO2-->

44CO2 0,48*32/12=1,28 kg 0,48*44/12=1,76

H2

0,064

2H2+O2 --> 2H2O

1kgH2+8kgO2 -->

9kgH2O 0,064*8/1=0,512 kg 0,064*9/1=0,576

O2 0,376 -0.376

N2 0,026 0,026

S

0,004

S+O2 --> SO2

32kgS+32O2 -->

64kgSO2 0,004*32/32=0,004

0,004*64/32=0,00

8

Cenizas 0,05

Total

1,42 kg 2,37 kg gas escape

De la tabla anterior se puede deducir:

Se requieren 1.42 kg de O2 por kg de carbono.

Aire requerido por kg de Carbono:

1.42

0.233= 6.09𝐾𝑔

(Teniendo en cuenta que el aire tiene 23.3% de O2).

Nitrógeno asociado:

0.767 X 6.09 = 4.67 Kg

Nitrógeno total en productos:

4.67 + 0.026 = 4.696

Para quemar 1 kg de biomas se requieren:

A/C=6.09/1=6.09 kg de aire estequiometrico

Teniendo un exceso de aire de 10%:

𝐴 𝐶⁄ = 6,09 +10

100 × 6,09 = 6,699 1⁄

Entonces:

𝑁2 = 0,767 × 6.699 = 5,14 𝑘𝑔

𝑂2 = 0,233 × 6,699 = 1,56 𝑘𝑔

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En productos:

𝑁2 = 5,14 + 0,026 = 5,166 𝑘𝑔

𝑂2 = 1,56 − 1,42 = 0,14 𝑘𝑔

Para los productos de salida, se plantea la siguiente tabla.

Tabla 13. Producto de salida con exceso de aire del 10%

Teniendo un exceso de aire de 20%:

𝐴 𝐶⁄ = 6,09 +20

100 × 6,09 = 7,308 1⁄

Entonces:

𝑁2 = 0,767 × 7,308 = 5,605 𝑘𝑔

𝑂2 = 0,233 × 7,308 = 1,703 𝑘𝑔

En productos:

𝑁2 = 5.605 + 0,026 = 5,631 𝑘𝑔

𝑂2 = 1,703 − 1,42 = 0,283 𝑘𝑔

Para los productos de salida, se plantea la siguiente tabla

Producto masa/kg % masa mol/kg m n=m/M %Vol hu-

medad %Vol seco

CO2 1,76 23,01 44 0,040000 15,325670 17,467249

H2O 0,576 7,53 18 0,032000 12,260536

SO2 0,008 0,1 64 0,000125 0,047893 0,054585

O2 0,14 1,83 32 0,004375 1,676245 1,910480

N2 5,166 67,53 28 0,184500 70,689655 80,567686

Total 7,65

100

Total

humedad 0,261000 100 100

(-) agua 0,032000

Total seco 0,229000

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Tabla 14. Producto de salida con exceso de aire del 20%

Producto masa/kg % masa mol/kg m n=m/M %Vol hu-

medad %Vol seco

CO2 1,76 21,31 44 0,040000 14,180581 15,995144

H2O 0,576 6,98 18 0,032000 11,344465

SO2 0,008 0,10 64 0,000125 0,044314 0,049985

O2 0,283 3,43 32 0,008844 3,135238 3,536426

N2 5,631 68,19 28 0,201107 71,295402 80,418444

Total 8,258 100

Total

humedad 0,282076 100 100

(-) agua 0,032000

Total seco 0,250076

Teniendo un exceso de aire de 30%:

𝐴 𝐶⁄ = 6,09 +30

100 × 6,09 = 7,917 1⁄

Entonces:

𝑁2 = 0,767 × 7,917 = 6,072 𝑘𝑔

𝑂2 = 0,233 × 7,917 = 1,845 𝑘𝑔

En productos:

𝑁2 = 6.072 + 0,026 = 6,098 𝑘𝑔

𝑂2 = 1,845 − 1,42 = 0,425 𝑘𝑔

Tabla 15. Producto de salida con exceso de aire del 30%

Producto masa/kg % masa mol/kg m n=m/M %Vol

humedad %Vol seco

CO2 1,76 19,85 44 0,040000 13,19296 14,749700

H2O 0,576 6,50 18 0,032000 10,55437

SO2 0,008 0,09 64 0,000125 0,04123 0,046093

O2 0,425 4,79 32 0,013281 4,38048 4,897361

N2 6,098 68,77 28 0,217786 71,83097 80,306846

Total 8,867 100

Total

humedad 0,303192 100 100

(-) agua 0,032000

Total seco 0,271192

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4 Conclusiones

La Central de Abasto de Villavicencio genera en residuos orgánicos 36,1 toneladas mensuales,

que equivalen a 36.100 Kg, donde se estima el cálculo por día generado de 1203,33 Kg.

El contenido energético de los residuos orgánicos (Biomasa), que son 1203,33 Kg que se

generan por día en la Central de Abasto de Villavicencio, arrojo una estimación energética de

8.749.249 KJ/Kg y en calorías de 2089,84 Kcal/Kg.

El volumen de biogás que se genera entre metano y dióxido de carbono con 1203,33 Kg de

Biomasa para este centro de acopio es de 149,75 m3 de metano y 135,92 m3 de dióxido de

carbono (La cantidad de biomasa generada es la estimada por un día).

Para quemar 1 Kg de biomasa se requiere 6,09 Kg de aire estequiometrico. Con un exceso del

10% de aire es de 6,699 kg de aire estequiometrico, para un 20% es de 7,308 kg de aire y en un

30% es de 7,917 kg de aire.

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