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CARACTERIZACIÓN DEL BAGAZO DE 4 INGENIOS AZUCAREROS DE
GUATEMALA
Mario Roberto Muñoz Solares
Especialista en Eficiencia Energetica, CENGICAÑA.
RESUMEN
En un proceso de combustión,
la calidad del combustible es un
factor fundamental para lograr
mayor eficiencia del proceso.
En el caso de los ingenios
azucareros La Unión, Santa
Ana, Palo Gordo, Trinidad, el
bagazo es su principal
combustible, dicho bagazo
presenta características
variables, que lo convierten en
un combustible muy poco
eficiente. Dos de los factores
que contribuyen a esa
variabilidad son la humedad y
la granulometría, ambos
factores inciden en el poder
calorífico disponible real. La
humedad, representa una
pérdida del poder calorífico,
porque gran parte del calor
desprendido por la oxidación
del carbono, se consume en la
evaporación del agua contenida
en el combustible afectando
seriamente la transferencia
específica de energía, y
aumentando la pérdida de calor
en los gases de combustión. El
presente estudio se basó en 69
muestras de bagazo tomadas de
los cuatro ingenios a lo largo de
seis semanas consecutivas, se
determinó poder calorífico,
humedad y granulometría.
Comparativamente, se
obtuvieron humedades con diferencias de hasta 20 %, lo que
evidencia diferencias significativas entre ingenios. Por otra parte, la
granulometría del bagazo, demostró que el 42.5 % del bagazo no es
particulado fino sino “fibras”, que retardan la combustión y
aumentan la pérdida por bagazo no quemado, además, la fibras, por
su tamaño, no se queman relativamente rápido lo que provoca una
inexactitud en el control de combustible de la caldera. También hay
diferencias claras entre ingenios ya que existen valores mínimos de
fibra de 33.9 % y valores máximos de 49.50 %, esto representa una
brecha que puede llegar a reducirse con un proceso de
benchmarking constructivo.
Palabras claves: bagazo, calderas, eficiencia, ingenios, humedad,
granulometría.
ABSTRACT
In a combustion process, fuel quality is a key factor to achieve high
efficiency of this process. In the case of LaUnion, Santa Ana, Palo
Gordo and Trinidad, bagasse is the main fuel. Bagasse has variable
characteristics, which makes it a very inefficient fuel. Two of the
factors contributing to this variability are moisture and particle size,
both factors affect the actual heat value available. Moisture,
represents a loss of caloric power, much of the heat released by
oxidation of the carbon is consumed in the evaporation of water
contained in the fuel seriously affecting the specific energy, and
increasing the loss of heat in the combustion fuel. This study was
based on 69 samples of bagasse taken from the four mills over 6
consecutive weeks, to determine heat value, moisture content and
particle size. Comparatively, humidity values were obtained with
differences of up to 20%, which shows significant differences
among the mills. The fineness of bagasse, showed that 42.5% of
bagasse is not fine particules but rather "fibers", which slows down
combustion and increase the loss by unburned bagasse, moreover,
because of the fiber size, relatively burning causes an uncertainty
in the fuel control of the boiler. There are also clear differences
among the mills tested as there are minimum values of 33.9% fiber
and maximum values of 49.5%. This represents a gap that may be
reduced by a process of constructive benchmarking.
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OBJETIVOS
• Diagnosticar el estado actual
de las calderas de las plantas de
Generación de los ingenios para
conocer y establecer las
posibles oportunidades de
mejora.
• Conocer a fondo los
combustibles (bagazo)
actualmente utilizados, reducir
el consumo de los mismos e
implementar un manejo
eficiente de combustibles
renovables en las calderas.
MARCO TEÓRICO
El bagazo de caña es un
subproducto fibroso compuesto
de lignina y celulosa que resulta
después de la extracción de
azúcar de los tallos de caña.
Este material se obtiene a través
de una serie de procesos
mecánicos de corte longitudinal
de tallos, desfibrado por golpe,
fricción y por presión entre
rodillos, que al final del proceso
constituye un conjunto
heterogéneo de partículas de
diferentes tamaños que oscilan
entre 0.1-6.0 mm en diámetro.
Poder calorífico superior
(PCSS)
Es el calor producido por la
combustión completa de un
kilogramo de combustible a 0
°C y 1 ATM de presión, cuando
todos los productos de la
combustión se reducen a las
mismas condiciones. En
consecuencia, el agua presente en el combustible y la resultante de
la combustión del hidrógeno, se condensa. Este valor se determina
en laboratorios, mediante ensayos con una bomba calorimétrica.
Según Hugot5, el PCS del Bagazo Seco (PCSS) varía muy poco
para las diversas variedades de caña y propone un valor medio:
PCSS = 4600 kcal/kg y (8364 BTU/lb)
Poder calorífico inferior (PCI)
Es el calor producido cuando el agua presente en el combustible y
la resultante de la combustión del hidrógeno permanece en estado
de vapor. Como en la práctica industrial, la temperatura de los
productos de la combustión no alcanza el punto de rocío, es este
valor el que se usa normalmente en los cálculos de balance y
energía. No existen medios directos para determinar su valor y por
lo tanto se calcula a partir del PCSS. Hugot5, propone para el
bagazo seco la siguiente ecuación:
PCIS = PCSS – 5400 * H (kcal/kg) (1)
H: kg de hidrógeno/kg de combustible. Esta expresión corresponde
al valor del Poder del combustible seco (PCIS). En el caso de
bagazo seco con la siguiente composición elemental media:
Carbono = 0.47, Hidrógeno = 0.065, Oxígeno = 0.44, Cenizas =
0.025, resulta: PCIS = 4600 – 5400 x 0.065 = 4250 (kcal/kg de
bagazo seco)
Poder calorífico del bagazo húmedo (PCIH)
El bagazo que se emplea en la práctica contiene una cierta cantidad
de agua que en estado de vapor se pierde por la chimenea junto con
los gases calientes (productos de la combustión). El PCI del bagazo
húmedo, se determina teóricamente a partir del PCSS y la
composición del bagazo húmedo. Al valor calorífico de la fibra y
del azúcar, se le resta el calor de vaporización del agua y del vapor
resultante de la combustión del hidrógeno para calcular el PCI:
PCIH = 46 * F + 40 * s - 2.5 * W – 350 (kcal/kg) (2)
Hugot5, también considera una forma más simple para calcular el
PCI del bagazo húmedo a partir del valor del PCI del bagazo
húmedo:
PCIH = 4250 - 48.50 * W (kcal/kg) (3)
377
Humedad
Es la propiedad más importante
desde el punto de vista de
rendimiento energético en la
producción de vapor principal,
éste depende mucho del tipo de
molinos y sus ajustes y de la
manera en que la extracción del
jugo es llevada a cabo.
Normalmente la humedad del
bagazo oscila en un rango
estrecho entre 49.00 por ciento
y 52.00 por ciento. Esto quiere
decir, que de una unidad de
masa de combustible quemado
en las calderas,
aproximadamente la mitad es
bagazo y la otra es agua. Los
efectos de la humedad en la
combustión son: Disminuye el
poder calorífico inferior,
aumenta el volumen de gases
y disminuye el rendimiento.
Granulometría
Un menor tamaño de partícula
asegura una mejor combustión,
a menor tamaño de partícula de
bagazo, menor peso, por lo
tanto el tiempo de caída de la
partícula desde la entrada al
horno a la parrilla es mayor.
Además, en los combustibles,
tanto en líquidos como en
sólidos, es importante el
tamaño de partícula debido a
que se busca que la oxidación
se favorezca en cada uno de los
átomos de carbono, por ello es importante optimizar el tamaño de
las partículas reduciéndolas cuanto sea posible. La forma, tipo y
disposición de la fibra depende del grado de preparación que tenga
la caña en el proceso de extracción de jugo, el número de juegos de
cuchillas, desmenuzadoras, picadoras y molinos. Un análisis
granulométrico indica en la distribución de tamaños, el porcentaje
de particulado que se quemará más eficientemente. Un análisis de
este tipo, tiene como finalidad obtener la distribución por tamaño
de las partículas presentes en una muestra de material. Así es
posible también determinar su clasificación. Para obtener la
distribución de tamaños, se emplean tamices normalizados y
numerados dispuestos en orden decreciente. Método: Se seca el
material a temperatura ambiente o en un horno hasta conseguir
pesadas consecutivas constantes. A continuación, se deposita la
muestra de material en la criba superior del juego de tamices, los
que deberán encontrarse limpios, pesados y ordenados en forma
decreciente. El juego de cribas deberá contar con una tapa superior
y una bandeja inferior para los residuos. Se hace vibrar el conjunto
durante 5-10 minutos, ver Figura 1, tiempo después del cual se
retira del vibrador y se registra el peso del material retenido en cada
tamiz.
Figura 1. Vibrador de tamices
Finalmente, se calcula el
porcentaje de cada peso
registrado con respecto al peso
total de la muestra y se obtiene la distribución de los tamaños del
particulado. Se recomienda Finalmente, se calcula el porcentaje de
cada peso registradp cpm respecto al peso total de la muestra se
obtiene la distribución de ls tamaños del particulado. Se recomienda
dibujar la curva de granulometría.
378
CARACTERIZACIÓN
DEL BAGAZO DE 4
INGENIOS
El muestreo de bagazo fue
realizado en los cuatro
ingenios, a lo largo de seis
semanas, tres muestras por
semana, el bagazo se tomó de la
banda transportadora después
del último molino. Se calculó
humedad presente en cada
muestra (CENGICAÑA), se
apartaron muestras secas para
análisis granulométrico y otras
fueron pulverizadas a mesh 80
para realizar análisis de poder
calorífico (MEM), a
continuación los resultados
individuales y comparativos de
cada ingenio.
Poder calorífico superior seco
(PCSS)
Este poder se calculó en el
Laboratorio Técnico del
Ministerio de Energía y Minas,
a través de un análisis en
Bomba Calorimétrica. Los
datos de cada Ingenio
corresponden al poder
promedio de sus respectivas
muestras analizadas, muestras
que estaban secas, con
humedad cero y pulverizadas a
una granulometría de 0.17 mm
(80 mesh). En el Cuadro 1 las
primeras columnas aparecen los
datos promedio de las muestras
de cada ingenio, calculados en kJoules/kg; también aparecen las
equivalencias en BTU/lb y kcal/kg. En la Figura 2 se aprecian las
diferencias del poder calorífico; nuevamente hay que hacer notar
que éste comparativo se hace sobre muestras secas y pulverizadas al
mismo tamaño, las diferencias pueden deberse a la cantidad de
cenizas en las muestras o a la variedad de caña molida en el
momento del muestreo en cada ingenio. El método utilizado por el
Laboratorio del MEM fue en base a la norma ASTM-240.
Poder calorífico inferior seco (PCIS)
Para el cálculo del poder calorífico inferior seco se utilizó la
ecuación 1, donde H es la concentración de hidrógeno. Para una
concentración de hidrógeno de 0.065.
Poder calorífico húmedo (PCIH)
Del Manual de Hugot5, considera el PCI del bagazo húmedo a partir
de la ecuación 3, donde W representa la humedad del bagazo de
cada ingenio, dicha ecuación queda así:
PCIHi = PCISi - 48.50 * Wi (kcal/kg) (4)
Figura 2. Poder calorífico superior seco del bagazo
En el Cuadro 1, aparece el resumen del poder calorífico superior
seco, inferior seco e inferior húmedo del bagazo de cada uno de los
ingenios. El PCIH corresponde al poder disponible real del bagazo.
379
Cuadro 1. Poder calorífico superior seco, inferior seco e inferior húmedo del bagazo
En la Cuadro 1, se visualizan
los poderes caloríficos
disponibles de cada ingenio
(PCIH) y el promedio de todas
las muestras. Puede verse que el
ingenio La Unión y Santa Ana
están por arriba de la media,
Trinidad y Palo Gordo por
debajo. Indudablemente las
diferencias se deben a la
humedad promedio de cada
ingenio contenida en cada una
de las muestras.
Humedad
Las muestras analizadas con bomba calorimétrica, con poder
calorífico descrito anteriormente, fueron secadas previamente
en Laboratorio. Sin embargo, para el cálculo del PCIH fue
necesario calcular la humedad de cada una de dichas muestras
antes de su secado. Esta humedad fue calculada en el
Laboratorio de CENGICAÑA, utilizando para ello el método
de pesaje antes y después del calentamiento hasta lograr peso
constante. En el Cuadro 2 se presentan los promedios de
humedad de cada ingenio y el promedio global de la
distribución.
380
Cuadro 2. Humedad promedio por ingenio
Estas diferencias en la humedad
son las que causan menor poder
calorífico disponible real
(PCIH) explicados
anteriormente.
CONTROL DE
HUMEDAD
En la Figura 3, se simula en
gráficas de control, la variación
de la humedad en los cuatro
ingenios, la optimización del
control de esta variable está en
función de dos aspectos
gráficos: El primero es la
magnitud de la humedad;
mientras menor es la humedad,
más cerca del origen de las
curvas aparece la medición, el
segundo aspecto es la
permanencia de las mediciones
bajo un determinado perímetro;
mientras mayor control de la
humedad se tiene, más se
respetan los valores
perimetrales. El mayor control
de la humedad se visualiza en
ingenio La Unión donde el
82 por ciento de los datos de
humedad se mantienen
dentro del mismo perímetro
y además aparecen lo más
cerca posible al centro donde la magnitud de la humedad se
hace óptima. Ingenio Santa Ana demuestra en tres puntos,
tener la capacidad de manejar menores magnitudes de
humedad que los demás ingenios, sin embargo, el resto del
tiempo, los valores de humedad evidencian mayor
variabilidad. ingenio Trinidad demuestra tener también una
capacidad similar, Palo Gordo por otro lado demuestra mayor
variabilidad tanto en magnitud de la humedad como en su
control.
Figura 3. Gráficas de variabilidad de humedad
381
Granulometría
El análisis granulométrico de
las muestras se hizo en base a
bagazo previamente secado sin
pulverizar, en el Cuadro 3,
aparecen los resultados
promediados y en porcentaje.
Las muestras de bagazo fueron
pasadas por un filtro de 7 cribas
más un fondo (de peso
previamente tarado), con mesh
decrecientes de los siguientes
tamaños: 12, 16, 18, 20, 30, 40
y 60, que corresponden a
tamaños milimétricos de 1.7,
1.18, 1, 0.85, 0.60, 0.42 y 0.25
respectivamente. Luego se
procedió a la agitación de las
cribas por 10 minutos/muestra,
el siguiente paso consistió en
pesar las cribas llenas, restar las
taras de las cribas y finalmente
calcular el porcentaje de cada
peso retenido respecto del peso
inicial de la muestra. Con ésto
se logró la distribución por
tamaños, que quedó de la
siguiente manera: partículas
mayores de 1.7 mm, entre 1-1.7
mm, entre 0.25-1 mm y
menores de 0.25 mm. La
distribución final puede verse
en el Cuadro 4.
La decisión de separar fibras de
partículas, y definir los 4
tamaños diferentes mostrados
en el Cuadro anterior se puede
entender viendo la Figura 4. En
la Figura 5, puede verse como
se distribuyen los tamaños del
bagazo de cada ingenio. La
porción morada, representa el
bagazo ideal (polvillo) que
entra a las calderas, debido a su
tamaño, el proceso de
combustión se ve favorecido;
las porciones celeste y verde,
aunque no son ideales, son partículas con probabilidad de quemado
relativamente rápido. Sin embargo, la porción roja, como se ve en
la imagen, son fibras que evidentemente no se queman en
suspensión, no se queman rápida ni totalmente, y mucho menos
instantáneamente, lo que finalmente engaña al control de la caldera.
Parte del volumen de estas fibras podrían después del soplado y
limpieza de las parrillas, constituirse en combustible inquemado,
aumentando así las pérdidas en las cenizas.
Cuadro 3. Resultados de Análisis granulométrico
Cuadro 4. Distribución de partículas por tamaño
Figura 4. Imágenes del particulado
Figura 5. Distribución granulométrica por ingenio
382
CONCLUSIONES
• La humedad es un factor
fundamental que afecta el poder
calorífico del bagazo, sin
embargo, dentro del estudio se
evidencia que hay ingenios que
tienen mejor controlado este
factor, lo que les representa un
mejor aprovechamiento del
poder calorífico y mayor
potencial energético.
• El tamaño de particula del
bagazo es un factor que influye
en su eficiente combustión, las
fibras que representan en
promedio un 42.50 % del
bagazo entrando a las calderas,
no se quema inmediatamente,
lo que representa una
deficiencia del sistema.
• La humedad promedio de los
ingenios está en un 53%, la
distribución muestra valores
extremos de 46.10% a 66.09 %,
por lo que hay una gran
oportunidad de mejora.
• La granulometría del bagazo
de los cuatro ingenios presenta
un 57.50 % de partículas que
representan fácil combustión
pero un 42.50 % de fibras que
retardan la combustión. Los
valores extremos de la
distribución son 33.90 % y
49.50 % de fibra.
• El poder calorífico promedio
de los ingenios es de 7434
BTU/lb que representa un 88 % del valor aceptado por Hugot.5
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12. Osorio, S. Recursos energéticos de la biomasa y su
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383
AGRADECIMIENTOS
Gerencias de Ingenios La
Unión, Santa Ana, Trinidad y
Palo Gordo, por permitirnos el
muestreo de bagazo. Milton Cifuentes (Ingenio La Unión): Por
préstamo de Laboratorio para realizar estudio granulométrico.
Wendy Bocaletti (CENGICAÑA): Por estudio de humedad, secado
y pulverizado de muestras de bagazo. Francisco Méndez
(CENGICAÑA): Por recolección de muestras.
