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Bagazo de caña como combustible

Bagazo de caña como combustible
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Bagazo caña combustible.jpg
Concepto:Energía alternativa generada en los centrales azucareros.

Bagazo de caña como combustible. Se relacionan las características más importantes del bagazo como fuente alternativa de energía, utilizada fundalmentalmente en la industria azucarera mostrando un análisis de cómo calcular el valor calórico del mismo además de las tablas y diagramas con los resultados obtenidos.

Bagazo

El bagazo, fibra residual de la caña de azúcar después de la molida, es un combustible natural para producir vapor en las fábricas azucareras. Es de tamaño uniforme con longitud promedio de 5-7,5 cm y no excede los dos centímetros de ancho; el rango de densidad varía entre 120-160 kg/m3. Este consiste de fibra, agua, sólidos solubles y cenizas; pero es importante conocer su composición química, que afecta su uso como combustible, y el método por el cual puede ser manipulado y quemado técnica y económicamente.

Calor Específico de Combustión

El calor específico de combustión es la propiedad más importante de los combustibles y para el caso del bagazo depende principalmente de la humedad, el contenido de azúcar, el contenido de ceniza y en cuarto grado de la variedad de caña. Rubio [1994] y Sarría [1999] se refieren a las ecuaciones para determinar el calor específico de combustión superior e inferior de Hugot.

CECS = 19 255 – 31,39 • S – 192,55 • W, kJ/kg
CECI = 17 790 – 31,39 • S – 203 • W, kJ/kg

Además, Hugot propone una fórmula simplificada para calcular el calor específico inferior del bagazo que es muy utilizada en la actualidad.

CECI = 17 799,3 – 20 305,98 • W, kJ/kg

Upadhiaya [1991] propone las fórmulas siguientes:

CECS = 19 268 • [1-(W+A)/100], kJ/kg

CECI = 17 802 • [1-(W+A)/100], kJ/kg

Y en su trabajo menciona otros autores y las fórmulas propuestas por ellos.

Fórmula de Parr

CECS = 19 042 • Fibra %bagazo+16927 • S, kJ/kg

Fórmula de Van der Horst

CECS = 19 050 – 42 • S – 190 • W, kJ/kg

CECI = 17 800 – 42 • S – 201 • W, kJ/kg

Fórmula de Hessey

CECS = 19 410 – 51,6 • S – 194 • W, kJ/kg

CECI = 18 111 – 51,5 • S – 205 • W, kJ/kg

Según Southern African Sugar Technologists Laboratory Manual [2000], puede determinarse:

CECS = 19 605 – 196,05 • W – 196,05 • A – 31,14 • Brix, kJ/kg

CECI = 18 309 – 207,6 W – 196,05 • A-31,14 • Brix, kJ/kg

Fórmula de Australia

CECS = 19 574 – 38,177 • S – 195,74 • (W+A), kJ/kg

A = A’(1 – 0,01 • W)

Donde:

A’: % de ceniza en fibra seca.

CECS, CECI: Calor específico de combustión superior e inferior del bagazo, respectivamente.

S: Contenido de azúcar (%) en bagazo.

W: Humedad (%) en bagazo.

Brix: Contenido de sólidos solubles % en bagazo.

Para cálculos del MINAZ se puede utilizar CECI = 7660 kJ/kg [Sarría, 1999]. Al incrementar 1% la humedad del bagazo puede representar una disminución del calor de combustión del orden de 2%.

Contenido de Fibra

El contenido de fibra en la caña ejerce una marcada influencia en el balance entre la energía disponible y las necesidades del proceso. Un bajo contenido de fibra en la caña procesada no solo significa menos combustible disponible, sino también a causa del aumento de proporción del jugo, una mayor tarea de evaporación y por tanto una mayor demanda de vapor.

Se reportan valores de fibra en caña en el rango de 12-16% para variedades de caña de azúcar; en la zafra de 1995 en una fábrica australiana [Bagasse, 2001], se reportó un contenido de fibra en caña de 13,30%; Guzmán reporta 13,5% en el CAI «5 de septiembre» de la provincia de Cienfuegos; en Ecuador, 14,48%; en México, en la zafra de 1999-2000, se reportó un promedio de fibra en caña de 13,53%. Algunos promedios históricos de fibra en caña de destacados productores de Azúcar de caña son: Australia (14,1), Brasil (14,2), Cuba (13,7), EE.UU. (12,3), Sudáfrica (15,2), México (14,2) y como promedio (13,9).

Obtención de los modelos

Para obtener la relación del calor específico de combustión inferior (CECI) y el calor específico de combustión superior (CECS) con los factores agroindustriales se hizo un diseño de experimentos utilizando el paquete estadístico STATGRAPHICS, del tipo factorial completo de cinco factores en 33 corridas experimentales. El orden de los experimentos es aleatorio, que proporciona protección contra los efectos de variables fantasmas.

Niveles de los factores agroindustriales utilizados para los modelos:

  • Cantidad de agua de imbibición: 10-30% de caña.
  • Temperatura del agua de imbibición: 60-90 oC.
  • Materias extrañas entradas a fábrica: 3-12% de caña.
  • Molida diaria: 167 500-380 000 @/día.
  • Dependencia del valor calórico inferior (CECI) y superior del bagazo (CECS) de los factores agroindustriales. Resultados del análisis estadístico.

Tablaomd1.JPG

El modelo del calor específico de combustión inferior del bagazo es el siguiente:

CECI = 8346,25 – 554,665 • CH2O + 0,09375 • T + 444,666 • ME – 0,09375 • mol + 699,996 • F + 0,09375 • CH2O • T – 0,5525 • CH2O • ME – 0,09375 • CH2O • mol – 4,5705 • CH2O • F + 0,09375 • T • ME – 0,09375 • T • mol + 0,09375 • T • F – 0,09375 • ME • mol - 50,91 • ME • F – 0,09375 • mol • F

Del diagrama de Pareto, que muestra la influencia de los distintos factores y sus interacciones en el calor específico de combustión inferior, se puede apreciar que los términos de mayor influencia son, en primer lugar, el contenido de fibra en caña; en segundo lugar, la cantidad de agua de imbibición; en tercer lugar, las materias extrañas entradas a fábrica y luego, con un efecto mucho menor, aparece la interacción materias extrañas-contenido de fibra en caña (Fig. 1).

Figuraomd1.JPG

La influencia de cada factor en el calor específico de combustión inferior se da en la figura 2.

Figuraomd2.JPG

Entre los efectos principales en el calor específico de combustión inferior del bagazo el de mayor influencia es el contenido de fibra en caña, que influye de forma directa, a medida que aumenta el contenido de fibra en caña aumenta el contenido de fibra en bagazo y por lo tanto aumenta la cantidad de material combustible; con incrementos en la cantidad de agua de imbibición utilizada disminuye el calor específico de combustión inferior del bagazo provocado por el incremento del contenido de humedad del bagazo, a pesar de que la composición en base seca del bagazo sea la misma, pues parte del calor que se libera en el proceso de combustión se utiliza para evaporar esa agua disuelta en el bagazo, y por último con el aumento del contenido de materias extrañas entradas a fábrica y en dependencia de la composición de esas materias extrañas, hay un incremento de la fibra presente en el bagazo y por lo tanto un incremento del calor específico de combustión inferior.

Efectos de las materias extrañas

En ocasiones, cuando en la composición de las materias extrañas hay una cantidad considerable de tierra, se produce un incremento del bagazo disponible; pero este incremento es aparente, ya que aumenta los insolubles, no fibra en el bagazo y en realidad puede quemarse una cantidad inferior de bagazo, resultando totalmente engañosos los niveles de bagazo disponible que nos dan los software de cálculo de balance térmico de ingenios azucareros. En la tabla 2 aparecen los resultados de la prueba P.

Tablaomd2.JPG

Para el CECI hay cuatro efectos que tienen P-valor menor que 0,05 y el término independiente.

El modelo de regresión descartando los términos cuyos coeficientes no son significativos es el siguiente:

CECI = 8 346,25 – 554,665 • CH2O + 444,666 • ME + 699,996 • F – 50,91 • ME • F

R – cuadrado = 99,9792

R – cuadrado (ajustado por d.f.) = 99,9609

Error estándar de Est. = 19,7534

Error medio absoluto = 5,20524

Durbin – Watson estadístico = 2,05681

El comportamiento para el CECS es similar que para el CECI y el modelo es el siguiente:

CECS = 10 293,8 – 525,837 • CH2O + 421,912 • ME + 663,887 • F – 18,3625 • ME • F

R – cuadrado = 99,9793

R – cuadrado (ajustado por d.f.) = 99,961

Error estándar de Est. = 18,7164

Error medio absoluto = 4,8169

Durbin – Watson estadístico = 2,03914

Los modelos para determinar el calor específico de combustión inferior y superior están en función de la composición de la caña (cantidad y composición de las materias extrañas entradas a fábrica, contenido de fibra en caña) y de la cantidad de agua de imbibición a utilizar, aún antes de ejecutar el proceso con un comportamiento similar a las ecuaciones dadas por otros autores a partir de la composición del bagazo. En eso radica lo novedoso de estos modelos.

Debido a que para obtener estos modelos en el diseño de experimento las variables que representan los factores agroindustriales están codificadas, es decir, son números adimensionales, para utilizar los modelos hay que determinar el valor de estas variables, incluso pueden extrapolarse, y se determinan de la siguiente manera:

CH2O = (Ag.imb – 20) / 10

Donde:

Ag.imb: Cantidad de agua de imbibición utilizada en tanto por ciento de caña molida.

ME = (Mat. ext. – 7,5) / 4,5

Donde:

Mat.ext.: Contenido de materias extrañas % caña entradas a fábrica.

F = (Fibra – 14) / 2

Donde:

Fibra: Fibra % caña.

Validación de los resultados

Para la validación se tomaron un grupo de ingenios azucareros, y se siguió la misma combinación de las variables tomadas para el diseño de experimento para la obtención de los modelos; se evaluaron las fórmulas propuestas por otros autores y la propuesta por el autor. En cuanto al calor específico de combustión inferior la diferencia no rebasa 0,15%, y para el superior no alcanza 0,4%, comparado con los valores calculados por las fórmulas de Hugot [1967] citadas por Rubio [1994] y Sarría [1999], en sus respectivas tesis en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas, que son las más utilizadas y de mejores resultados, para el calor específico de combustión superior.

Tablaomd3.JPG

La diferencia entre los valores calculados de CECI por la fórmula propuesta por el autor y las fórmulas propuestas por otros autores se muestran en la tabla 4.

Tablaomd4.JPG

Para el calor específico de combustión superior e inferior no existen diferencias apreciables en los valores calculados por las fórmulas propuestas por el autor con respecto a los valores calculados por las fórmulas propuestas por otros autores, todas por debajo de 2%, excepto con respecto a las fórmulas propuestas por Upadhiaya [1991], que para el CECS la diferencia se halla entre 1,59-2,75%, y para el CECI la diferencia se encuentra entre 6,5-14,4%, dado fundamentalmente porque en sus ecuaciones no aparece el término asociado a la Pol en bagazo, cuyo efecto es considerable.

A continuación aparecen los gráficos donde se puede observar el comportamiento del CECS y el CECI calculado por las ecuaciones dadas por el autor y por otros autores.

El Bagazo de la caña de azúcar como combustible.

El bagazo, fibra residual de la caña de azúcar después de la molida, es un combustible natural para producir vapor en las fábricas azucareras. Es de tamaño uniforme con longitud promedio de 5-7,5 cm y no excede los dos centímetros de ancho; el rango de densidad varía entre 120-160 kg/m3. Este consiste de fibra, agua, sólidos solubles y cenizas; pero es importante conocer su composición química, que afecta su uso como combustible, y el método por el cual puede ser manipulado y quemado técnica y económicamente.

El calor específico de combustión es la propiedad más importante de los combustibles y para el caso del bagazo depende principalmente de la humedad, el contenido de azúcar, el contenido de ceniza y en cuarto grado de la variedad de caña. Rubio [1994] y Sarría [1999] se refieren a las ecuaciones para determinar el calor específico de combustión superior e inferior de Hugot.

CECS = 19 255 – 31,39 • S – 192,55 • W, kJ/kg

CECI = 17 790 – 31,39 • S – 203 • W, kJ/kg

Además, Hugot propone una fórmula simplificada para calcular el calor específico inferior del bagazo que es muy utilizada en la actualidad.

CECI = 17 799,3 – 20 305,98 • W, kJ/kg

Upadhiaya [1991] propone las fórmulas siguientes:

CECS = 19 268 • [1-(W+A)/100], kJ/kg

CECI = 17 802 • [1-(W+A)/100], kJ/kg

Y en su trabajo menciona otros autores y las fórmulas propuestas por ellos.

Fórmula de Parr

CECS = 19 042 • Fibra %bagazo+16927 • S, kJ/kg

Fórmula de Van der Horst

CECS = 19 050 – 42 • S – 190 • W, kJ/kg

CECI = 17 800 – 42 • S – 201 • W, kJ/kg

Fórmula de Hessey

CECS = 19 410 – 51,6 • S – 194 • W, kJ/kg

CECI = 18 111 – 51,5 • S – 205 • W, kJ/kg

Según Southern African Sugar Technologists Laboratory Manual [2000], puede determinarse:

CECS = 19 605 – 196,05 • W – 196,05 • A – 31,14 • Brix, kJ/kg

CECI = 18 309 – 207,6 W – 196,05 • A-31,14 • Brix, kJ/kg

Fórmula de Australia

CECS = 19 574 – 38,177 • S – 195,74 • (W+A), kJ/kg

A = A’(1 – 0,01 • W)

Donde:

A’: % de ceniza en fibra seca.

CECS, CECI: Calor específico de combustión superior e inferior del bagazo, respectivamente.

S: Contenido de azúcar (%) en bagazo.

W: Humedad (%) en bagazo.

Brix: Contenido de sólidos solubles % en bagazo.

Para cálculos del MINAZ se puede utilizar CECI = 7660 kJ/kg [Sarría, 1999].

Al incrementar 1% la humedad del bagazo puede representar una disminución del calor de combustión del orden de 2%.

El contenido de fibra en la caña ejerce una marcada influencia en el balance entre la energía disponible y las necesidades del proceso. Un bajo contenido de fibra en la caña procesada no solo significa menos combustible disponible, sino también a causa del aumento de proporción del jugo, una mayor tarea de evaporación y por tanto una mayor demanda de vapor.

Se reportan valores de fibra en caña en el rango de 12-16% para variedades de caña de azúcar; en la zafra de 1995 en una fábrica australiana [Bagasse, 2001], se reportó un contenido de fibra en caña de 13,30%; Guzmán reporta 13,5% en el CAI «5 de Septiembre» de la provincia de Cienfuegos; en Ecuador, 14,48%; en México, en la zafra de1999-2000, se reportó un promedio de fibra en caña de 13,53%. Algunos promedios históricos de fibra en caña de destacados productores de azúcar de caña son: Australia (14,1), Brasil (14,2), Cuba (13,7), EE.UU. (12,3), Sudáfrica (15,2), México (14,2) y como promedio (13,9).

Obtención de los modelos

Para obtener la relación del calor específico de combustión inferior (CECI) y el calor específico de combustión superior (CECS) con los factores agroindustriales se hizo un diseño de experimentos utilizando el paquete estadístico STATGRAPHICS, del tipo factorial completo de cinco factores en 33 corridas experimentales. El orden de los experimentos es aleatorio, que proporciona protección contra los efectos de variables fantasmas.

Niveles de los factores agroindustriales

  • Cantidad de agua de imbibición: 10-30% de caña.
  • Temperatura del agua de imbibición: 60-90 oC.
  • Materias extrañas entradas a fábrica: 3-12% de caña.
  • Molida diaria: 167 500-380 000 @/día.

Dependencia del valor calórico inferior (CECI) y superior del bagazo (CECS) de los factores agroindustriales. Resultados del análisis estadístico.

Tabla 1 Coeficientes regresión.JPG

Tabla 1. Coeficientes de regresión para el calor específico de combustión inferior (CECI) y superior del bagazo (CECS)

Coeficientes de regresión CECI CECS
Constante 8 346,25 10 293,8
A: CH2O (cantidad de agua
de imbibición, % de caña) –554,665 –525,837
B: T (Temperatura, oC) 0,09375 0,0
C: ME (materias extrañas, % de caña) 444,666 421,912
D: Mol (molida @/día ) –0,09375 0,0
E: F (fibra, % de caña) 699,996 663,887


El modelo del calor específico de combustión inferior del bagazo es el siguiente:

CECI = 8346,25 – 554,665 • CH2O + 0,09375 • T + 444,666 • ME – 0,09375 • mol + 699,996 • F + 0,09375 • CH2O • T – 0,5525 • CH2O • ME – 0,09375 • CH2O • mol – 4,5705 • CH2O • F + 0,09375 • T • ME – 0,09375 • T • mol + 0,09375 • T • F – 0,09375 • ME • mol - 50,91 • ME • F – 0,09375 • mol • F

Del diagrama de Pareto, que muestra la influencia de los distintos factores y sus interacciones en el calor específico de combustión inferior, se puede apreciar que los términos de mayor influencia son, en primer lugar, el contenido de fibra en caña; en segundo lugar, la cantidad de agua de imbibición; en tercer lugar, las materias extrañas entradas a fábrica y luego, con un efecto mucho menor, aparece la interacción materias extrañas-contenido de fibra en caña (Fig. 1).

Figura 1 Efecto diferentes factores.JPG

Fig.1. Efecto de los diferentes factores y sus interacciones en el CECI del bagazo.

Figura 2 Influencia agroindustrial.JPG

Fig.2. Influencia de los factores agroindustriales en el calor específico de combustión inferior del bagazo (CECI).

Entre los efectos principales en el calor específico de combustión inferior del bagazo el de mayor influencia es el contenido de fibra en caña, que influye de forma directa, a medida que aumenta el contenido de fibra en caña aumenta el contenido de fibra en bagazo y por lo tanto aumenta la cantidad de material combustible; con incrementos en la cantidad de agua de imbibición utilizada disminuye el calor específico de combustión inferior del bagazo provocado por el incremento del contenido de humedad del bagazo, a pesar de que la composición en base seca del bagazo sea la misma, pues parte del calor que se libera en el proceso de combustión se utiliza para evaporar esa agua disuelta en el bagazo, y por último con el aumento del contenido de materias extrañas entradas a fábrica y en dependencia de la composición de esas materias extrañas, hay un incremento de la fibra presente en el bagazo y por lo tanto un incremento del calor específico de combustión inferior.

En ocasiones, cuando en la composición de las materias extrañas hay una cantidad considerable de tierra, se produce un incremento del bagazo disponible; pero este incremento es aparente, ya que aumenta los insolubles, no fibra en el bagazo y en realidad puede quemarse una cantidad inferior de bagazo, resultando totalmente engañosos los niveles de bagazo disponible que nos dan los software de cálculo de balance térmico de ingenios azucareros. En la tabla 2 aparecen los resultados de la prueba P.

Tabla 2 Resultado Prueba.JPG

Tabla 2. Resultados de la prueba P del análisis de varianza para el CECI y el CECS del bagazo.

Factores e interacciones P-valor CECI P-valor CECS. Para el CECI hay cuatro efectos que tienen P-valor menor que 0,05 y el término independiente.El modelo de regresión descartando los términos cuyos coeficientes no son significativos es el siguiente:

CECI = 8 346,25 – 554,665 • CH2O + 444,666 • ME + 699,996 • F – 50,91 • ME • F
R – cuadrado = 99,9792
R – cuadrado (ajustado por d.f.) = 99,9609
Error estándar de Est. = 19,7534
Error medio absoluto = 5,20524
Durbin – Watson estadístico = 2,05681

El comportamiento para el CECS es similar que para el CECI y el modelo es el siguiente:

CECS = 10 293,8 – 525,837 • CH2O + 421,912 • ME + 663,887 • F – 18,3625 • ME • F

R – cuadrado = 99,9793
R – cuadrado (ajustado por d.f.) = 99,961
Error estándar de Est. = 18,7164
Error medio absoluto = 4,8169
Durbin – Watson estadístico = 2,03914

Los modelos para determinar el calor específico de combustión inferior y superior están en función de la composición de la caña (cantidad y composición de las materias extrañas entradas a fábrica, contenido de fibra en caña) y de la cantidad de agua de imbibición a utilizar, aún antes de ejecutar el proceso con un comportamiento similar a las ecuaciones dadas por otros autores a partir de la composición del bagazo. En eso radica lo novedoso de estos modelos.

Debido que para obtener estos modelos en el diseño de experimento las variables que representan los factores agroindustriales están codificadas, es decir, son números adimensionales, para utilizar los modelos hay que determinar el valor de estas variables, incluso pueden extrapolarse, y se determinan de la siguiente manera:

CH2O = (Ag.imb – 20) / 10

Donde:
Ag.imb: Cantidad de agua de imbibición utilizada en tanto por ciento de caña molida.
ME = (Mat. ext. – 7,5) / 4,5
Donde:
Mat.ext.: Contenido de materias extrañas % caña entradas a fábrica.
F = (Fibra – 14) / 2
Donde:
Fibra: Fibra % caña.

Validación de los resultados

Para la validación se tomaron un grupo de ingenios azucareros, y se siguió la misma combinación de las variables tomadas para el diseño de experimento para la obtención de los modelos; se evaluaron las fórmulas propuestas por otros autores y la propuesta por el autor. En cuanto al calor específico de combustión inferior la diferencia no rebasa 0,15%, y para el superior no alcanza 0,4%, comparado con los valores calculados por las fórmulas de Hugot [1967] citadas por Rubio [1994] y Sarría [1999], en sus respectivas tesis en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas, que son las más utilizadas y de mejores resultados, para el calor específico de combustión superior (Tabla 3).

Tabla 3 Diferencia.JPG

Tabla 3. Diferencia en tanto por ciento entre los valores del CECS calculados por la fórmula propuesta por el autor y las fórmulas propuestas por los demás autores
No F.Parr F.V.Horst F.Hessey F.Sudáfrica F.Australia F.Upadhiaya F.Hugot

La diferencia entre los valores calculados de CECI por la fórmula propuesta por el autor y las fórmulas propuestas por otros autores se muestran en la tabla 4.

Tabla 4.JPG

Tabla 4. Diferencia en % entre los valores del CECI calculados por la fórmula propuesta por el autor y las fórmulas propuestas por los demás autores
No F.V.Horst F. Hessey F. Sudáfrica F.Ráp.Hugot F. Upadhiaya F. Hugot

Para el calor específico de combustión superior e inferior no existen diferencias apreciables en los valores calculados por las fórmulas propuestas por el autor con respecto a los valores calculados por las fórmulas propuestas por otros autores, todas por debajo de 2%, excepto con respecto a las fórmulas propuestas por Upadhiaya [1991], que para el CECS la diferencia se halla entre 1,59-2,75%, y para el CECI la diferencia se encuentra entre 6,5-14,4%, dado fundamentalmente porque en sus ecuaciones no aparece el término asociado a la Pol en bagazo, cuyo efecto es considerable.

A continuación se muestran los gráficos donde se puede observar el comportamiento del CECS y el CECI calculado por las ecuaciones dadas por el autor y por otros autores.

Figuraomd3.JPG

Figuraomd4.JPG

Fuente

  • Bagasse Calorific Value. Southern African Sugar Technologists Laboratory Manual. Agosto, www.sugartech.co.za/extraccion/bagassecv.php3, 2001.
  • FENAZUCAR. Proyecto SICA, Banco Mundial. Indicadores de la Zafra 1998-1999. Ecuador. www.sica.gov.ec/cadenas/azucar/docs/indicadores.htm, 2000.
  • Hugot, E. Manual para ingenieros azucareros. La Habana: Edición Revolucionaria, 1967, 803 pp.
  • Rubio González, A. M. «Incremento de la eficiencia térmica de la caldera RETAL de 45 t/h mediante modificaciones de la aerodinámica del horno». Tesis Doctoral. UCLV, 1994.
  • Sarría López, B. «Aerodinámica de la zona de flujo inverso que se crea en una cámara de combustión que combina un estabilizador rotatorio y un turbulizador estático tangencial». Tesis en Opción al Grado Científico de Doctor en Ciencias Técnicas. UCf, 1999.
  • Upadhiaya, U. C. «Bagasse as Fuel». Mechanical Engineering Dept. Florida International University. Miami, Florida, USA. International Sugar Journal, 1991, vol.