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Determinación del poder calorífico
inferior y contenido en cenizas de
pélets de roble
Análisis realizado por el Grupo de
Combustibles y Motores de la Universidad de
Castilla-La Mancha, en la Sección Biomasa del
Instituto de Investigación en Energías Renovables
Parque Científico y Tecnológico de Albacete
Por solicitud de Coprosol Biocombustibles S.L.
Noviembre de 2010
Grupo de Combustibles y Motores
Determinación del PCI y contenido en cenizas de pélets de roble
1
Índice
1. Preparación de las muestras para el análisis........................................................ 3
2. Procedimientos y equipos empleados ................................................................... 3
2.1. Determinación de la humedad de recepción .................................................. 3
2.2. Determinación del contenido en cenizas ...................................................... 4
2.3. Determinación del análisis elemental…………………………………………5 2.4. Determinación del poder calorífico ............................................................... 5
2.4.1. Poder calorífico superior a volumen constante en base húmeda ...... 6
2.4.2. Poder calorífico superior a volumen constante en base seca............ 6
2.4.3. Poder calorífico inferior a presión constante en base seca ............... 7
2.4.4. Poder calorífico inferior a presión constante a una humedad
cualquiera .................................................................................................... 7
3. Resultados obtenidos ............................................................................................. 8
3.1. Humedad de recepción ................................................................................. 8
3.2. Contenido en cenizas .................................................................................. 10
3.3. Análisis elemental ..................................................................................... 10
3.4. Poder calorífico .......................................................................................... 10
Determinación del PCI y contenido en cenizas de pélets de roble
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Determinación del PCI y contenido en cenizas de pélets de roble
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1. Preparación de las muestras para el análisis
En Octubre de 2010 se reciben aproximadamente 15 kg de pélets de roble en una bolsa
de plástico hermética para su análisis en el laboratorio de biocombustibles del Instituto
de Investigación en Energías Renovables de Albacete. La muestra se muele en un
molino de cuchillas (Retsch SM 100) para asegurar una combustión completa y una
buena repetibilidad en los resultados. Si bien las normas de análisis exigen un tamaño
máximo de partícula de 1 mm, se sigue moliendo hasta 0.25 mm, con el fin de obtener
una mayor repetibilidad.
2. Procedimientos y equipos empleados
2.1. Determinación de la humedad de recepción
La humedad del material a la recepción del mismo se lleva a cabo metiéndolo en la
estufa sin realizar ninguna modificación previa, ni de secado, ni de triturado. El ensayo
se realiza sobre dos muestras de aproximadamente 300 gramos cada una, con la estufa a
105 ± 2 ºC. Las muestras se tienen en la estufa durante al menos 16 horas,
aumentándose el ciclo de secado en períodos de 2 horas hasta que se compruebe que el
material ya no pierde más agua. La humedad se determina a partir de la pérdida de peso
de la muestra hasta alcanzar un valor constante, expresándose en tanto por ciento en
masa en base húmeda.
El método empleado es una combinación de los métodos descritos en la norma
experimental española y americana (UNE-CEN/TS 14774-2 EX: “Biocombustibles
sólidos. Métodos para la determinación del contenido de humedad. Método de secado
en estufa. Parte 2: Humedad total. Método simplificado” (Septiembre 2007) y la norma
ASTM E 871-82: “Standard Method for Moisture Analysis of Particulate Wood
Fuels”).
Determinación del PCI y contenido en cenizas de pélets de roble
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2.2. Determinación del contenido en cenizas
Como resultado de este análisis se obtiene el contenido en cenizas expresado en
porcentaje en masa. Se sigue la especificación técnica UNE-EN 14775
“Biocombustibles sólidos – Método para la determinación del contenido en cenizas”
(Septiembre 2010).
El contenido en cenizas se determina a partir de la masa inicial de la muestra y de la
masa de residuo que queda tras calentar la muestra bajo condiciones específicas. El
calentamiento se realiza en atmósfera de aire en un horno mufla y bajo condiciones
rigurosamente controladas de periodos de tiempo y temperatura. La temperatura
máxima alcanzada en el proceso de calentamiento es de 550 ± 10 ºC. Se establece esta
temperatura final para contabilizar todo el material inerte, incluyendo aquellos
elementos inertes que pueden volatilizarse a temperaturas superiores y los carbonatos
que se descomponen también a temperaturas superiores. Las rampas de calentamiento
establecidas son:
5 ºC/min hasta alcanzar 250 ºC
Isoterma a 250 ºC durante 60 minutos
5 ºC/min hasta alcanzar 550 ± 10 ºC
Isoterma a 550 ºC durante 120 minutos
Tras someter la muestra a estas rampas se vuelve a introducir la muestra en el horno (a
550ºC) durante periodos adicionales de 30 minutos hasta que el cambio de masa sea
menor de 0.5 mg.
Simultáneamente al ensayo anterior se determina la humedad de la muestra de ensayo
(h), siguiendo la especificación técnica UNE-EN 14774-3 “Biocombustibles sólidos.
Determinacion del contenido de humedad. Método en estufa. Parte 3: Humedad de la
muestra para análisis en general”, con el fin de determinar el contenido en cenizas en
base seca.
Determinación del PCI y contenido en cenizas de pélets de roble
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2.5 Determinación del análisis elemental
Para la determinación del poder calorífico inferior es imprescindible obtener
previamente el contenido total de carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre. Se expresan
como porcentaje en masa, sobre la muestra estabilizada al aire (es decir, a la humedad
ambiente de ese día). Simultáneamente se determina la humedad de la misma con el fin
de expresar los resultados en base seca. Para la determinación de la humedad se sigue la
especificación técnica UNE-EN 14774-3 “Biocombustibles sólidos. Determinacion del
contenido de humedad. Método en estufa. Parte 3: Humedad de la muestra para
análisis en general”.
Se utiliza un analizador elemental marca LECO modelo TruSpec. Este equipo realiza la
combustión en atmósfera altamente oxidante, de una cantidad de muestra entre 100 mg
y 500 mg, en función de la densidad de la muestra y la composición esperada. Los gases
de la combustión se dirigen a distintas celdas en las que se contabiliza individualmente
el porcentaje de cada elemento. El contenido en carbono, hidrógeno y azufre se
determina mediante absorción de infrarrojos y el contenido en nitrógeno mediante
conductividad térmica.
Las determinaciones del contenido en C, H, y N se realizan sobre una única muestra,
siguiendo la norma experimental UNE CEN/TS 15104 EX “Biocombustibles sólidos.
Determinación del contenido total de carbono, hidrógeno y nitrógeno. Métodos
instrumentales” (diciembre 2008) . El contenido en S se determina sobre otra muestra,
en un módulo separado del citado equipo, siguiendo la norma experimental CEN/TS
15289 “Solid Biofuels. Determination of total content of sulphur and chlorine” (Abril
2006). El contenido de oxígeno se obtiene por diferencia de 100 de los porcentajes de C,
H, N, y S y del porcentaje de cenizas.
2.6 Poder calorífico
El procedimiento empleado sigue la norma experimental UNE 164001 EX:
“Biocombustibles sólidos. Método para la determinación del poder calorífico” (Mayo
Determinación del PCI y contenido en cenizas de pélets de roble
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2005) y la especificación técnica europea CEN/TS 14918: “Solid biofuels. Method for
the determination of calorific value” (2005).
Experimentalmente se determina el poder calorífico superior a volumen constante de la
muestra de ensayo. El poder calorífico superior en base seca e inferior en base seca y
con un contenido en humedad cualquiera se determinan a partir del resultado
experimental (poder calorífico superior a volumen constante de la muestra de ensayo) y
una serie de expresiones que permiten deducirlos (ecuaciones 1, 2 y 3, más adelante).
En los apartados siguientes se explica cómo se obtienen los distintos poderes
caloríficos.
2.6.1. Poder calorífico superior a volumen constante en base húmeda
Se parte de la muestra para análisis (molida al menos a 0.25 mm para asegurar una
buena reproducibilidad), estabilizada al aire en recipiente abierto durante al menos 24
horas. La muestra se somete a una combustión con exceso de oxígeno en una bomba
calorimétrica, modelo 6100 PARR. A partir del incremento de temperatura que sufre el
baño de agua en que está sumergida la bomba en la que se produce la combustión, el
equipo determina el poder calorífico superior a volumen constante de la muestra de
ensayo en base húmeda PCSv,b.h,.
Simultáneamente al ensayo anterior se determina la humedad de la muestra de ensayo
(h), siguiendo la especificación técnica UNE-EN 14774-3 “Biocombustibles sólidos.
Determinacion del contenido de humedad. Método en estufa. Parte 3: Humedad de la
muestra para análisis en general”, con el fin de determinar el poder calorífico superior
en base seca.
2.6.2. Poder calorífico superior a volumen constante en base seca
Se determina el poder calorífico superior a volumen constante en base seca PCSv,b.s, a
partir del poder calorífico superior en base húmeda PCSv,b.h., determinado
experimentalmente con la bomba calorimétrica, y de la humedad de la muestra de
ensayo h:
Determinación del PCI y contenido en cenizas de pélets de roble
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1001
...... h
PCSPCS hbvsbv
(1)
2.6.3. Poder calorífico inferior a presión constante en base seca
Las máquinas que queman o transforman biomasa (calderas, hornos, gasificadores) son
máquinas de flujo continuo. En estas máquinas los procesos de combustión ocurren a
presión constante, por lo que el poder calorífico que tiene interés es el correspondiente a
presión constante.
El poder calorífico inferior a presión constante en base seca PCIp,b.s se determina a partir
del poder calorífico superior a volumen constante en base seca PCSv,b.s. y de los
contenidos en hidrógeno, oxígeno y nitrógeno en base seca, expresados en porcentaje en
masa (Hb.s., Ob.s. y Nb.s, respectivamente, determinados en el análisis elemental):
, . . , . . . . . . . .212.2 0.8p b s v b s b s b s b sPCI PCS H O N (2)
2.6.4. Poder calorífico inferior a presión constante a una humedad cualquiera
El poder calorífico inferior a presión constante para una humedad “h” determinada,
PCIp,b.h., puede calcularse a partir de la siguiente expresión
PCIp,b.h = PCIp,b.s (1-0.01h) – 24.43 h (3)
donde PCIp,b.s. es el poder calorífico inferior a presión constante en base seca y h es el
contenido en humedad de la muestra en base húmeda, expresado en porcentaje en masa.
Determinación del PCI y contenido en cenizas de pélets de roble
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3. Resultados obtenidos
En la Tabla 1 se muestran los resultados del análisis físico-químico de los pélets de
roble (únicamente de la muestra recibida en nuestro laboratorio). Se dan tanto en base
seca como en base húmeda, estos últimos calculados a la humedad del pélet. Se realiza
además una comparación con los requisitos que ciertas normas europeas imponen para
la obtención de certificados de calidad. Las principales normas de calidad de pélets de
biomasa son las siguientes:
- Austria: ÖNORM M 7135 Especificaciones de pélets y briquetas de madera con
corteza y sin corteza
- Suecia: SS 187120. Especificaciones para pélets
- Alemania: DIN 51 731. Especificaciones de pélets y briquetas.
DIN-plus. Especificaciones de pélets de calidad para calderas
La norma UNE CEN/TS 14961 EX. “Biocombustibles sólidos. Especificaciones y
clases de combustibles”, establece una clasificación para pélets de uso industrial, y con
ella se ha elaborado la Tabla 2 para el pélet de roble. A continuación se comentan los
resultados obtenidos.
3.1. Humedad de recepción
La humedad de recepción es del 7.13 % en base húmeda. Se trata pues de un pélet
M10 (humedad inferior al 10%) según la clasificación de la UNE CEN/TS 14961 EX.
Determinación del PCI y contenido en cenizas de pélets de roble
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Instituto de Investigación en Energías Renovables (Octubre 2010)
Valores en base seca Valores en base
húmeda
Humedad a la recepción
(% en masa, en base húmeda) 7.13
Contenido en cenizas
(% en masa) 0.41 0.38
Análisis elemental (% masa)
C 49.83 46.28
H 5.78 6.16
N 0.12 0.11
S 0.02 0.02
O 43.84 47.04
Poder calorífico (MJ/ kg)
PCSv 19.57 18.18
PCIp 18.31 16.83
Tabla 1. Resultados del análisis físico-químico
Propiedad Clasificación Significado Unidades
Humedad M10 Humedad ≤ 10 % % masa, en base húmeda
Cenizas A0.7 Cenizas ≤ 0.7 %
Azufre S0.05 Azufre ≤ 0.05 %
Nitrógeno N0.3 Nitrógeno ≤ 0.3 %
% en masa, en base seca
Tabla 2. Clasificación del pélet según UNE CEN/TS 14961 EX
Determinación del PCI y contenido en cenizas de pélets de roble
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3.2. Contenido en cenizas
El contenido en cenizas en base seca es bajo, del 0.41 %. Siguiendo la clasificación de
AENOR (en la UNE CEN/TS 14961 EX los pélets se clasifican en A0.7, A1.5, A3.0,
A6.0 y A6.0+), se trata de un pélet A0.7, por tener un contenido en cenizas menor del
0.7 %.
3.3. Análisis elemental
La UNE CEN/TS 14961 EX no exige que para la comercialización de pélets se de el
análisis elemental (contenido en C, H, N, O y S). Tan sólo si la biomasa hubiera sido
tratada químicamente sería normativo indicar su contenido en nitrógeno y azufre (en las
normas alemana, austriaca y sueca sí que es normativo dar estos dos valores).
Los pélets analizados presentan un contenido en azufre de sólo un 0.02 % en base seca.
Cumple pues con las exigencias de las normas más exigentes ÖNORM y DIN-plus
(0.04 % máximo), y con la SS 187120 y la DIN 51 731 (0.08 % máximo).
El contenido en nitrógeno es del 0.12 % en base seca.
3.4. Poder calorífico
El poder calorífico inferior del pélet de roble en base húmeda (a presión constante, o
sea el PCIp,b.h) es de 16.83 MJ/kg, del orden del exigido en la norma sueca SS 187120.
En base seca es de 18.31 MJ/kg, ligeramente superior al marcado por la norma
austriaca. En base seca y libre de cenizas es de 18.39 MJ/kg, inferior al señalado por la
normativa alemana más exigente (DIN-plus).
- ÖNORM M 7135: poder calorífico inferior en base seca de al menos 18 MJ/kg
- SS 187120: poder calorífico inferior en base húmeda de al menos 16.9 MJ/kg.
- DIN-plus: poder calorífico inferior en base seca y libre de cenizas de al menos
19.5 MJ/kg.
