estudio del poder calorífico del bagazo de caña de azúcar en la ...

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NOTA DE ACEPTACIÓN DEL TRABAJO DE GRADO

ESTUDIO DEL PODER CALORÍFICO DEL BAGAZO DE CAÑA DE AZÚCAR EN LA INDUSTRIA AZUCARERA DE LA ZONA DE RISARALDA

Presentado por:

ROSA VIRGINIA GARCÉS PAZ SANDRA VIVIANA MARTINEZ SILVA

El suscrito director y jurados del presente trabajo de grado, una vez revisada la versión escrita y presenciado la sustentación oral, decidimos otorgar la nota de: ______________________ Con la connotación: ______________________ Para constancia firmamos en la ciudad de Pereira hoy ___ de _____, _________________________.

Director: ______________________________

Nombre: Ing. Melvin Aroldo Durán

Jurado: _______________________________ Nombre:

Jurado: _______________________________

Nombre:

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Dedicatoria A mi madre Rosalba Paz Canchibo por su amor, paciencia, responsabilidad, apoyo moral y económico. A mi padre Marino Alfonso Garcés y a mis hermanos Jineth, Jhonatan, Elemileth y Mauricio por su gran apoyo moral y paciencia infinita.

Rosa Virginia A mis padres Luis Virgilio Martínez y Marta Cecilia Silva por el gran amor que me han brindado siempre, por su incomparable esfuerzo para sacarme adelante y por haberme apoyado en el momento más duro de mi carrera. A mi hermano Sebastián por querer continuar con este fascinante mundo de la química. A mi novio Diego Alejandro por haberme alentado en momentos de debilidad, por su amor y confianza.

Sandra Viviana

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Agradecimientos Al Ingeniero Melvin Aroldo Durán por guiarnos por el camino de la sabiduría y del aprendizaje, por su infinita paciencia, confianza, pero especialmente, por sus incontables enseñanzas. A Carlos Humberto Montoya por habernos facilitado el acceso a los laboratorios en días en los que difícilmente se podía trabajar. A nuestro Javi por facilitarnos en todo momento los materiales y equipos necesarios para la ejecución de nuestro proyecto. A Mancho por haber estado siempre presto a los inconvenientes que teníamos con algún equipo y por haber hecho todo lo posible por repararlo en ese momento. A Lili por su incondicionalidad, amabilidad y disponibilidad con los equipos del laboratorio de suelos. A todas aquellas personas, profesores, compañeros y amigos, que de una u otra forma siempre estuvieron ahí acompañándonos.

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CONTENIDO NOTA DE ACEPTACIÓN DEL TRABAJO DE GRADO ……………………………...1 DEDICATORIA …………………………………………………………………………....2 AGRADECIMIENTOS ………………………………………………………………...….3 CONTENIDO ……………………………………………………………………………....4 ÍNDICE DE TABLAS ………………………………………………………………...........7 ÍNDICE DE FIGURAS …………………………………………………………….............8 ÍNDICE DE ANEXOS..........................................................................................................9 RESUMEN…………………………………………………………………………...........10 ABSTRACT………………………………………………………………………….........11 1. ANTECEDENTES…………………………………………………………………......12 1.1. SURGIMIENTO DEL PROBLEMA………………………………………………….12 1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA………………………………………………...13 1.3. OBJETIVOS…………………………………………………………………………..13 1.3.1. Objetivo general……………………………………………………………………13 1.3.2. Objetivos específicos………………………………………………………………13 1.4. JUSTIFICACIÓN……………………………………………………………………..14 2. MARCO TEÓRICO …………………………………………………………………...16 2.1. BIOMASA…………………………………………………………………….………16 2.2. LA CAÑA DE AZÚCAR (Saccharum officinarium L.)…………………………….........17 2.2.1. Historia………………………………………………………………………............17 2.2.2. Colombia y el Valle del Cauca………………………………………………………17 2.2.3. Descripción………………………………………………………………………….17 2.2.4. Zona de cultivo……………………………………………………………................18 2.2.5. Composición………………………………………………………………………...19 2.3. EL BAGAZO DE LA CAÑA DE AZÚCAR…………………………………………19 2.3.1. Composición………………………………………………………………………...19 2.3.1.1. Composición química………………………………………………………….......19 2.3.1.2. Composición media………………………………………………………..............20

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2.3.1.2.1. Composición de la fibra…………………………………………………………20 2.4. PORCENTAJE DE HUMEDAD……………………………………………………...20 2.5. CALOR ESPECÍFICO Y CAPACIDAD CALORÍFICA……………………………..21 2.6. CALORIMETRÍA…………………………………………………………………..…22 2.6.1. Calorimetría a volumen constante………………………………...............................24 2.7. PODER CALORÍFICO SUPERIOR (PCS) Y PODER CALORÍFICO INFERIOR (PCI)………………………………………………………………………………………..25 2.8. CALOR DE COMBUSTIÓN Y CAMBIO DE ENERGÍA INTERNA (∆U)………...26 3. SECCIÓN EXPERIMENTAL ………………………………………………………...28 3.1. MATERIALES Y REACTIVOS……………………………………………………...28 3.1.1. Material vegetal…………………………………………………………...................28 3.1.2. Equipos……………………………………………………………………………....28 3.1.3. Reactivos………………………………………………………………………..…...28 3.2. METODOLOGÍA……………………………………………………………………..28 3.2.1. Determinación del porcentaje de humedad………………………………………….28 3.2.1.1. Determinación del porcentaje de humedad inicial……………………………… 28 3.2.1.2. Determinación de porcentajes de humedad en virtud del tiempo de secado………28 3.2.1.3. Determinación de porcentajes de humedad mayores al porcentaje de humedad en la muestra inicial……………………………………………………………………………...29 3.2.2. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS)………………………………..29 3.2.2.1. Calibración de la bomba calorimétrica………………………................................29 3.2.2.2. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) de caña de azúcar………..…30 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN…………………………………………………….....31 4.1. DETERMINACIÓN DEL PORCENTAJE DE HUMEDAD……………………..…..31 4.1.1. Determinación del porcentaje de humedad inicial…………......................................31 4.1.2. Determinación de porcentajes de humedad en virtud del tiempo de secado………...31 4.1.2.1. Determinación de porcentajes de humedad en virtud del tiempo de secado de la variedad Cenicaña Colombia………………………………………………………………31 4.1.2.2. Determinación de porcentajes de humedad en virtud del tiempo de secado de la variedad Mayagüez Colombia……………………………………………………………...33 4.1.2.3. Determinación de porcentajes de humedad en virtud del tiempo de secado de la variedad Venezuela………………………………………………………………………...35 4.1.3. Determinación de porcentajes de humedad mayores al porcentaje de humedad en la muestra inicial……………………………………………………………………………...37 4.2. DETERMINACIÓN DEL PODER CALORÍFICO SUPERIOR (PCS)……………...38 4.2.1. Calibración de la bomba calorimétrica……………………………………………...38 4.2.2. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) del bagazo de caña de azúcar……………………………………………………………………………………....39

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4.2.2.1. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) de la variedad Cenicaña Colombia…………………………………………………………………………………...39 4.2.2.2. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) de la variedad Mayagüez Colombia…………………………………………………………………………………...41 4.2.2.3. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) de la variedad Venezuela…..43 4.3. VALIDACIÓN DE RESULTADOS……………………………………….................46 4.3.1. Validación del porcentaje de humedad……………………………………………...46 4.3.2. Validación del Poder Calorífico Superior (PCS)…………………………………....46 4.3.2.1. Validación del Poder Calorífico Superior (PCS) de la variedad Cenicaña Colombia…………………………………………………………………………………...46 4.3.2.2. Validación del Poder Calorífico Superior (PCS) de la variedad Mayagüez Colombia…………………………………………………………………………………...46 4.3.2.3. Validación del Poder Calorífico Superior (PCS) de la variedad Venezuela………47 5. CONCLUSIONES…………………………………………………………………..….48 6. RECOMENDACIONES…………………………………………………………….....49 BIBLIOGRAFÍA ……………………………………………………………………..…...50

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ÍNDICE DE TABLAS Tabla. 1. Determinación del porcentaje de humedad inicial de tres variedades de bagazo de caña azúcar…………………………………………………………………………..……..31 Tabla 2. Determinación de porcentajes de humedad menores al porcentaje de humedad inicial variedad Cenicaña Colombia…………………………………………………….…31 Tabla 3. Determinación de porcentajes de humedad menores al porcentaje de humedad inicial variedad Mayagüez…………………………………………………………….…...33 Tabla 4. Determinación de porcentajes de humedad menores al porcentaje de humedad inicial variedad Venezuela………………………………………………………………....35 Tabla 5. Determinación de porcentajes de humedad mayores al porcentaje de humedad inicial de tres variedades de bagazo de caña azúcar………………………………………..37 Tabla 6. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) Ácido Benzoico…………..38 Tabla 7. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) variedad Cenicaña Colombia …………………………..………………………………………………………………….39 Tabla 8. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) variedad Mayagüez Colombia …………………………………………………………………………………………..….41 Tabla 9. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) variedad Venezuela………43 Tabla 10. Determinación del porcentaje de humedad para validación de resultados……...46 Tabla 11. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) para validación de resultados variedad Cenicaña Colombia…………………………………………………...46 Tabla 12. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) para validación de resultados variedad Mayagüez Colombia………………………………………………….47 Tabla 13. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) para validación de resultados variedad Venezuela……………………………………………………………..47

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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Generación de biomasa……………………………………………………..…...16 Figura 2. Región azucarera de Colombia………………………………………………….18 Figura 3. Modelo bomba calorimétrica…………………………………………………....23 Figura 4. Curva de secado variedad Cenicaña Colombia………………………………....32 Figura 5. Curva de secado variedad Mayagüez Colombia…………………………..….....34 Figura 6. Curva de secado variedad Venezuela………………………………………...…36 Figura 7. Curva polinomial variedad Cenicaña Colombia………………………………...40 Figura 8. Curva polinomial variedad Mayagüez Colombia……………………………….42 Figura 9. Curva polinomial variedad Venezuela.................................................................44

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ÍNDICE DE ANEXOS Anexo A. EQUIVALENCIAS ENTRE COMBUSTIBLES MÁS COMUNES Y BIOMASAS………………………………………………………………………………..52 Anexo B. CONSECUENCIAS MEDIOAMBIENTALES DE LOS COMBUSTIBLES FÓSILES Y DE LOS BIOCOMBUSTIBLES……………………………………………..54 Anexo C. PRINCIPALES COMBUSTIBLES UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA Y SU PODER CALORÍFICO…………………………………………………………………….56 Anexo D. PODER CALORÍFICO DE SUBPRODUCTOS…..…………………………...57

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RESUMEN Actualmente, los biocombustibles son una alternativa más en miras a buscar fuentes de energías sustitutivas que sirvan de transición hacia una nueva tecnología. Cuando el bagazo de caña de azúcar se quema en las calderas, se genera el vapor que necesitan las turbinas para el accionamiento de generadores eléctricos. Es como de esta manera se transforma un combustible renovable en energía eléctrica para el sostenimiento energético de fábricas y en ocasiones, el excedente de energía eléctrica es entregado a la red de distribución pública. El bagazo es un combustible cuyo componente mayoritario es el agua. La cantidad de agua existente en un biocombustible es la humedad, la cual constituye un factor que afecta de forma decisiva su energía disponible, ya que el poder calorífico del bagazo disminuye a medida que aumenta el porcentaje de humedad debido a que parte del calor desprendido durante la combustión del bagazo, tendrá que utilizarse para evaporar el agua proveniente de la humedad de este. Hasta el momento en el Ingenio Risaralda se tiene poca información sobre el poder calorífico del bagazo de acuerdo con el porcentaje de humedad de las diferentes variedades. Por esta razón, se vio la necesidad de realizar un estudio comparativo de los poderes de combustión de las tres variedades de bagazo de caña más utilizadas en la industria azucarera de la zona del Risaralda: Cenicaña Colombia, Mayagüez Colombia y Venezuela. El estudio se llevó a cabo mediante el método calorimétrico a volumen constante. Se determinaron los respectivos calores de combustión mediante el uso de la bomba calorimétrica de cada una de las variedades de bagazo a diferentes porcentajes de humedad. La información obtenida fue sistematizada en un software o programa estadístico que permitió el procesamiento de los datos, hallar la ecuación en la que mejor se agruparon y además, proporcionó el coeficiente de correlación de menor valor.

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ABSTRACT At the moment, the biocombustibles is more an alternative in aims to look for sources of substitute energy that serve as transition toward a new technology. When the trash of cane of sugar burns in the boilers, the vapor is generated that need the turbines for the working of electric generators. It is as this way a renewable fuel becomes electric power for the energy maintenance of factories and in occasions, the electric power surplus is given to the net of public distribution. The trash is a fuel whose majority component is the water. The quantity of existent water in a biocombustible is the humidity, which constitutes a factor that affects in a decisive way its available energy, since the heating capacity of the trash diminishes as it increases the percentage of humidity because it leaves of the heat removed during the combustion of the trash, it will have to be used to evaporate the water coming from the humidity of this. Until the moment in the Ingenio Risaralda one has little information about the heating power of the agreement trash with the percentage of humidity of the different varieties. For this reason, the necessity was seen of carrying out a comparative study of the powers of combustion of the three varieties of cane trash more used in the sugar industry of the area of the Risaralda: Cenicaña Colombia, Mayagüez Colombia and Venezuela. The study was carried out by means of the calorimetric method to constant volume. The respective combustion heats were determined by means of the use of the calorimetric bomb of each one from the trash varieties to different percentages of humidity. The obtained information was systematized in a software or statistical program that it allowed the prosecution of the data, to find the equation in the one that better they grouped and also, it provided the coefficient of relationship of smaller value.

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1. ANTECEDENTES 1.1. SURGIMIENTO DEL PROBLEMA El problema energético al que se enfrenta la civilización en el incipiente siglo XXI es inmenso, no solo debe afrontar las necesidades crecientes de una población con rápido aumento, cuya mayoría vive aun a niveles precarios de subsistencia, sino que debe lograr un incremento considerable de la producción de energía sin provocar daños severos al medio ambiente a escala global. El uso de las fuentes renovables de energía, debe incrementar su papel en el balance energético mundial y dentro de las fuentes renovables, el bagazo tiene buenas características como combustible y con un efecto global positivo sobre el medio ambiente con respecto al uso de los combustibles fósiles (1). La reducción de las inversiones en el sector eléctrico en los últimos años en la mayoría de los países de América Latina, acompañada por un continuo aumento en el consumo de electricidad, está llevando a serias dificultades en el abastecimiento de la demanda. En este sentido, es notable el potencial de la industria azucarera debido a la disponibilidad de grandes cantidades de bagazo. Existen en el mundo 70 países productores de caña de azúcar, con un área sembrada de 12.7 millones de hectáreas (2). La caña de azúcar debe de ser vista de una manera integral como fuente de alimentos, energía fertilizante y algunos otros subproductos. La comparación del costo de energía de otros tipos de biomasa tales como el eucalipto cuyo valor es de US $2.2 por tonelada con el costo del bagazo y el de la paja de caña, cuyos valores oscilan entre US $0.281 por tonelada y US $0.95-2.21 por tonelada respectivamente, permite clasificar al bagazo como biomasa de bajo costo, lo que hace rentable la generación de electricidad con tecnologías de baja eficiencia durante la zafra (2). Actualmente, en varios países latinoamericanos se observa la tendencia de incentivar la cogeneración en la industria azucarera (2). Se han reportado estudios y avances en este sentido en Cuba, México, Brasil, Costa Rica, Jamaica, Guatemala, El Salvador, Honduras y por supuesto en Colombia. La industria azucarera colombiana está ubicada en el valle geográfico del río Cauca en los departamentos de Caldas, Cauca, Risaralda y Valle del Cauca. El cultivo de la caña de azúcar ocupa cerca de 200 mil hectáreas que abastecen trece ingenios azucareros con una capacidad instalada de molienda de 76 mil toneladas de caña por día. Estos ingenios procesan caña durante 330 días al año, en promedio (3). Colombia es el quinto país en América latina que más cultiva caña de azúcar. En la región del valle del Risaralda se encuentra el ingenio Risaralda y aproximadamente 50 trapiches que utilizan el bagazo de la caña de azúcar como combustible para hornos y calderas necesarios en los procesos de la industria azucarera y panelera. El consumo del bagazo se lleva a cabo de manera empírica sin información actualizada de su poder

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calorífico, lo que en ocasiones lleva a un consumo superior al necesario aumentando costos de producción, ya que en ocasiones se tiene que comprar bagazo a otros ingenios. Muchos ingenios azucareros han producido habitualmente energía eléctrica para su propio consumo, total o parcialmente, empleando el bagazo como una fuente de combustible. Existen algunos ingenios azucareros, los cuales, además de generar todas sus necesidades de electricidad, usan el exceso de bagazo para producir más electricidad y venderla a las compañías eléctricas públicas. Por otra parte, existen numerosos ingenios azucareros que no cuentan con las instalaciones adecuadas para generar electricidad y no tienen acceso a los mercados apropiados donde vender directamente su propio bagazo. En esas circunstancias, ellos mismos necesitan disponer de su exceso de bagazo, o bien, almacenándolo localmente, o transportándolo a otras áreas, y estas medidas son muy costosas (4). 1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Proporcionar información actualizada por medio de correlaciones del poder calorífico de diferentes variedades de bagazo de caña de azúcar con respecto al porcentaje de humedad que sirva de herramienta para el aprovechamiento y funcionamiento del área de calderas del ingenio Risaralda. 1.3. OBJETIVOS 1.3.1. Objetivo General Determinar el poder calorífico del bagazo de la caña de azúcar utilizado en la industria azucarera de la zona del Risaralda 1.3.2. Objetivos Específicos ● Identificar las principales variedades de bagazo de la caña de azúcar que se utilizan en la industria azucarera de la zona del Risaralda. ● Determinar el poder calorífico de las variedades seleccionadas en función de la humedad. ● Efectuar un estudio comparativo de los resultados obtenidos para cada muestra analizada. ● Hallar correlaciones del poder calorífico de las diferentes variedades de bagazo de caña de azúcar con respecto a su humedad. ● Analizar los resultados, conclusiones y recomendaciones.

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1.4. JUSTIFICACIÓN Hasta hace unos pocos años, el fuel oil no era costoso y como resultado, la energía eléctrica tampoco era cara. Debido a esto, la práctica de generar electricidad quemando bagazo para venderla a las compañías eléctricas no era económicamente justificable en la mayoría de los casos. La actual situación es bastante diferente. El costo de la energía en general y el fuel oil en particular, han estado aumentando constantemente a un ritmo acelerado durante los últimos años y las perspectivas futuras indican que no habrá alivio en esta situación. Como resultado, la idea de generar electricidad en los ingenios azucareros para venderla a las compañías eléctricas, utilizando el exceso de bagazo como combustible, se ha convertido en algo muy importante (4). El bagazo de la caña de azúcar es el residuo obtenido mediante un proceso de industrialización de productos agropecuarios. Sale de la última unidad de molienda (zafra) y es conducido a las calderas para que sirva como combustible y produzca el vapor de alta presión que se emplea en las turbinas de los molinos para lograr su movimiento, y en los turbogeneradores para producir la energía eléctrica requerida por el ingenio y la energía que se vende a la red pública. Puede emplearse adicionalmente para las fábricas de papel o de tableros aglomerados. Por tal razón, el bagazo está considerado como un recurso energético renovable altamente utilizado en la industria. Para la mayoría de la población mundial, las formas más similares de la energía renovable son las que provienen del sol y del viento. Sin embargo, existen otras fuentes de biomasa, como el bagazo, que proveen un alto porcentaje de la energía consumida en el mundo y tiene potencial para suplir mayores volúmenes (ver Anexo A.). El término biomasa se refiere a toda la materia orgánica que proviene de árboles, plantas y desechos de animales que pueden ser convertidos en energía o las provenientes de la agricultura (residuos de maíz, café, arroz, macadamia), del aserradero (podas, ramas, aserrín, cortezas) y de los residuos urbanos (aguas negras, basuras orgánicas y otros). Desde la prehistoria, la forma más común de utilizar la energía de la biomasa ha sido por medio de la combustión directa, convirtiéndola en calor para suplir las necesidades de producción de vapor y producción de energía (5). Para América Latina, las tecnologías de energía renovable a pequeña escala representan una alternativa económica y ambiental factible para la provisión de energía. Adicionalmente, estas tecnologías pueden disminuir la contaminación del medio ambiente causadas por las emisiones de gases de los sistemas convencionales que utilizan combustibles fósiles como el carbón y productos derivados del petróleo. Estos gases contribuyen al efecto invernadero y al calentamiento global de nuestro planeta (5). Si pudiera aprovecharse, además del bagazo de caña, otras biomasas (materias orgánicas), se disminuiría el uso de petróleo para generar energía eléctrica, donde se originan grandes cantidades de CO2, el principal enemigo de la capa de ozono (ver Anexo B.). El aprovechamiento de la biomasa abonaría a la reducción de emisiones de dióxido de carbono (CO2), una factura que además pagarían los países industrializados que más contaminan,

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como es el caso de Estados Unidos, que ha emitido hasta el momento 186.1 mil millones de toneladas (6). El bagazo de caña de azúcar se ha convertido para la industria azucarera colombiana en una alternativa energética, debido a los altos costos de combustibles derivados del petróleo en los últimos 30 años. Hasta el momento, en el departamento del Risaralda se tiene poca información sobre el poder calorífico del bagazo de acuerdo con el porcentaje de humedad de las diferentes variedades. Por esta razón, se vio la necesidad de realizar un estudio comparativo de las tres variedades de caña más utilizadas en este departamento tendiente a mejorar los procesos de combustión y el aprovechamiento de este recurso renovable. Este trabajo tiende a estimar las propiedades caloríficas por medio de un estudio de la variedad y humedad del bagazo utilizado en la zona de Risaralda y que beneficiará a pequeños y grandes industriales de la caña de azúcar. Esta es una excelente oportunidad para emprendedores del sector cañero, ya que el bagazo de la caña que produzcan o compren, se podrá utilizar en cantidades medidas, se ahorrarán recursos y se podrá aprovechar mejor este residuo para otras funciones importantes como la producción de papel.

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2. MARCO TEÓRICO 2.1. BIOMASA Se considera que la biomasa es una fuente renovable de energía porque su valor proviene del sol. A través del proceso de fotosíntesis, la clorofila de las plantas captura su energía, y convierte el dióxido de carbono (CO2) del aire y el agua del suelo, en carbohidratos para formar la materia orgánica. Cuando estos carbohidratos se queman, regresan a su forma de dióxido de carbono y agua, liberando la energía que contienen. De esta forma, la biomasa funciona como una especie de batería que almacena la energía solar. Entonces, se produce en forma sostenida, o sea, en el mismo nivel en que se consume, esa batería durará indefinidamente (5). El cambio climático está muy íntimamente ligado a las pautas de utilización de la energía. La primera forma de reducir el cambio climático es modificar las fuentes de energía que utilizamos y es aquí donde vienen al caso los energéticos renovables y la energía de biomasa en particular. Esta es la única fuente de energía por completo neutra en CO2, lo que quiere decir que no hace aumentar el dióxido de carbono en la atmósfera. Los combustibles fósiles, el petróleo, el carbón y el gas, contribuyen de manera muy importante al calentamiento del planeta, que constituye un riesgo múltiple para la agricultura y otras actividades humanas. Además, los expertos afirman que las reservas de combustibles fósiles sólo durarán otros 40 o 50 años. Estos dos hechos por sí solos hacen la investigación en materia de fuentes sustitutivas de energía más apremiante que nunca (ver Anexo C). Las fuentes de biomasa que pueden ser usadas para la producción de energía cubren un amplio rango de materiales y fuentes: los residuos de la industria forestal y la agricultura, los desechos urbanos y las plantaciones energéticas (ver Fig. 1), se usan generalmente, para procesos modernos de conversión que involucran la generación de energía a gran escala, enfocados hacia la sustitución de combustibles fósiles (5).

Figura 1. Generación de biomasa

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2.2. LA CAÑA DE AZÚCAR (Saccharum officinarium L.) 2.2.1. Historia La caña de azúcar es uno de los cultivos más viejos en el mundo. Se cree que empezó hace unos 3.000 años como un tipo de césped en la isla de Nueva Guinea y de allí se extendió a Borneo, Sumatra e India. El proceso del azúcar se escuchó primero en la India tan temprano como en el 3.000 A.C. Una leyenda local en las Islas de Salomón dice que los antepasados de la raza humana se generaron de un tallo de la caña. Una corona hecha de caña de azúcar se describe en el Atharvaveda, libro sagrado de los hindúes, escrito aproximadamente 800 A.C. El general griego Nearchus, quien acompañó a Alejandro el Grande a la India en el IV siglo A.C. cuenta de una caña que produjo “miel” sin la ayuda de las abejas. Cristóbal Colón introdujo la caña en América en su segundo viaje (1493) a la Isla de La Española, cañas que no prosperaron. Tan sólo en 1501 fueron introducidas plantas que sí crecieron. El éxito de las plantaciones de azúcar en Santo Domingo llevó a su cultivo a lo largo del Caribe y América del Sur (7). 2.2.2. Colombia y el Valle del Cauca En Colombia se plantó por primera vez en Santa María La Antigua del Darién en 1510. Pedro de Heredia, fundador de Cartagena, introdujo la caña en la Costa Atlántica alrededor de 1533 y posteriormente Sebastián de Belalcázar, fundador de Santiago de Cali, la plantó en el Valle del Cauca, en su estancia en Yumbo en 1541. Hacia 1550 se fundaron tres ingenios a orillas del rió Amaime y desde esta región se envió azúcar y miel a Panamá en 1588. Para 1721 había en el Valle del Cauca 33 trapiches en funcionamiento. La caña cultivada en ese entonces se denominó criolla, originada de las cañas introducidas por los españoles. Durante su visita a nuestro país, el sabio alemán Alexander Humboldt, recomendó a los hacendados vallecaucanos la variedad Tahití u Otahití la cual fue introducida al Valle del Cauca entre 1802 y 1808 y se esparció por el territorio colombiano. Un paso importante en el desarrollo azucarero del Valle del Cauca fue el establecimiento por parte de Santiago Eder en 1867 de un molino de 3 masas horizontales, accionado por rueda de hierro que giraba con el impulso de las aguas del río Nima. Se puede afirmar que la moderna industria azucarera colombiana se inició el 1 de enero de 1901 al inaugurarse en Palmira la fábrica de azúcar blanco granulado del actual Ingenio Manuelita con centrífugas y equipos a vapor importados de Escocia, los cuales subieron la capacidad de molienda hasta 50 toneladas de caña cada doce horas (7). 2.2.3. Descripción La caña de azúcar pertenece a la familia de las gramíneas. Tiene el taño leñoso, de unos dos metros de altura. El tallo está lleno de un tejido esponjoso y dulce del que se extrae el azúcar. Posee hojas largas, lampiñas y flores purpúreas en panoja piramidal (7). Aunque la cosecha de la planta se realiza aproximadamente cada año (en las regiones cálidas), su rápida capacidad de rebrote permite varias cosechas sucesivas a partir de la siembra inicial. En nuestro país, las renovaciones del cultivo se realizan entre cada cuatro y ocho años y es común encontrar en las zonas paneleras cultivos con más de 20 años de establecidos. Al ser

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un cultivo perenne, permite una captura permanente del recurso tropical más abundante, la luz solar, disminuye los costos y los riesgos asociados a la siembra en los cultivos semestrales y anuales y mantiene una cobertura constante sobre el suelo, lo que disminuye los costos de control de malezas y permite un uso más eficiente del agua y un mejor control de la erosión (7). 2.2.4. Zona de cultivo La caña de azúcar se cultiva prácticamente en todas las regiones tropicales y subtropicales de la tierra. En Colombia se cultiva en forma productiva desde el nivel del mar hasta alturas superiores a los 2.000 metros en las más variadas condiciones de temperatura, luminosidad, precipitación y calidad de suelos (3). La industria azucarera colombiana está ubicada en el valle geográfico del río Cauca, entre tres y cinco grados de latitud norte, en los departamentos de Caldas, Cauca, Risaralda y Valle del Cauca. El valle es angosto (entre 76°22’ y 75°31’ de longitud oeste) y posee 430 mil hectáreas planas con una altura sobre el nivel del mar que no supera los mil metros en promedio (3). En el valle geográfico del río Cauca se encuentran localizados los trece ingenios azucareros que fabrican casi todo el azúcar producido en Colombia (ver Fig. 2) (3). Es una región que posee las condiciones idóneas para el crecimiento de la caña de azúcar: brillo solar permanente e intenso a lo largo del año, caída adecuada de temperatura entre el día y la noche, disponibilidad de agua, lluvias adecuadas y fertilidad en los suelos. El cultivo de la caña de azúcar se hace en forma continua durante todo el año y no en forma estacional o por zafra como lo es en el resto del mundo. Lo anterior hace del Valle del río Cauca una región especial que la sitúa dentro de las mejores regiones cañeras del mundo (8).

Figura 2. Región azucarera de Colombia

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2.2.5. Composición El tronco de la caña de azúcar está compuesto por una parte sólida llamada fibra y una parte líquida, el jugo, que contiene agua y sacarosa. En ambas partes también se encuentran otras sustancias en cantidades muy pequeñas. Las proporciones de los componentes varían de acuerdo con la variedad (familia) de la caña, edad, madurez, clima, suelo, método de cultivo, abonos, lluvias, riegos, etc. Sin embargo, unos valores de referencia general pueden ser: ● Fibra (11-16%) ● Sacarosa (8-15%) ● Agua (73-76%) La sacarosa del jugo es cristalizada en el proceso como azúcar y la fibra constituye el bagazo una vez molida la caña. Otros constituyentes de la caña presentes en el jugo son: ● Glucosa (0,2-0,6%) ● Fructosa (0,2-0,6%) ● Sales (0,3-0,8%) ● Ácidos orgánicos (0,1-0,8%) ● Otros (0,3-0,8%) Las hojas de la caña nacen en los entrenudos del tronco. A medida que crece la caña las hojas más bajas se secan, caen y son reemplazadas por las que aparecen en los entrenudos superiores. También nacen en los entrenudos las yemas que bajo ciertas condiciones pueden llegar a dar lugar al nacimiento de otra planta (8). 2.3. EL BAGAZO DE LA CAÑA DE AZÚCAR 2.3.1. Composición El bagazo, fibra residual de la caña de azúcar después de la molienda, 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 de los 2 cm. 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 quemado técnica y económicamente (1). El bagazo también contiene elementos considerados como materia extraña, clasificados como: materia extraña mineral y vegetal. La primera, está constituida por silicio, magnesio, calcio, sodio, potasio, óxidos de azufre, hierro, ente otros. La segunda, por residuos de cosecha como hojas secas o verdes, cogollos, chulquines, lalas y cepas (9). 2.3.1.1. Composición química

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El bagazo es llamado sucesivamente, por bagazo del 1º terno, 2º terno, etc. El bagazo del último terno es llamado bagazo final o simplemente bagazo (10). ● Carbono (23%) ● Oxígeno (22%) ● Hidrógeno (3%) ● Cenizas (2%) ● Agua (50%) 2.3.1.2. Composición media ● Humedad (50%) ● Fibra (46%) ● Brix (sólidos solubles en agua 2%) ● Impurezas minerales (2%) 2.3.1.2.1. Composición de la fibra ● Celulosa (48%) ● Hemicelulosa ● Lignina (mayor poder calorífico) 12% 2.4. PORCENTAJE DE HUMEDAD La cantidad de agua existente en un biocombustible y más en uno como es el caso del bagazo de la caña de azúcar, afecta de forma decisiva su energía disponible. El agua puede decirse que existe en dos formas generales: agua libre y agua ligada. El agua libre o absorbida, que es la forma predominante, se libera con gran facilidad y es estimada en la mayor parte de los métodos usados para el cálculo del contenido en agua. El agua ligada se halla combinada o absorbida. Se encuentra en los alimentos como agua de cristalización (en los hidratos) o ligadas a las proteínas. Estas formas requieren para su eliminación en forma de vapor un calentamiento de distinta intensidad. Parte de la misma permanece ligada al alimento incluso a temperaturas que lo carboniza (11). Hablar de humedad entonces, es hablar de la pérdida en peso por evaporación que sufre un determinado producto al someterlo a condiciones de calentamiento y está expresada en porcentaje. Método por pérdida de peso en estufa:

Humedad = 100*(Peso en húmedo – Peso en seco / Peso en húmedo) (1)

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2.5. CALOR ESPECÍFICO Y CAPACIDAD CALORÍFICA 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 cenizas y en cuarto grado, de la variedad de caña. El calor específico (s) de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de la sustancia y la capacidad calorífica (C) de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Celsius la temperatura de una cantidad determinada de sustancia. El calor específico es una propiedad intensiva (no depende de la cantidad de sustancia presente), en tanto que la capacidad calorífica es una propiedad extensiva (si depende de la cantidad de sustancia presente). La relación entre la capacidad calorífica y el calor específico de una sustancia es:

C = ms (2)

m = masa de la sustancia en gramos Si se conoce el calor específico y la cantidad de una sustancia, entonces el cambio en la temperatura de una muestra (∆t) indicará la cantidad de calor (q) que se ha absorbido o liberado en un proceso en particular. La ecuación para calcular el cambio de calor está dada por:

(3)

(4) Donde m = masa de la muestra ∆t = cambio de la temperatura

(5) El signo convencional de q es igual que para el cambio de entalpía a presión constante, que es positivo para procesos endotérmicos y negativo para procesos exotérmicos (12). El bagazo tiene un alto poder calorífico para producir energía pues cada libra con un 50% de humedad alcanza las 3,000 btu (medida calórica británica). Al usarlo como combustible les permite ahorrar cada mes dos millones 800 mil colones (6).

22

2.6. CALORIMETRÍA Según las teorías que iniciaron el estudio de la calorimetría, el calor era una especie de fluido muy sutil que se producía en las combustiones y pasaba de unos cuerpos a otros, pudiendo almacenarse en ellos en mayor o menor cantidad. Posteriormente, se observó que, cuando se ejercía un trabajo mecánico sobre un cuerpo (al frotarlo o golpearlo, por ejemplo), aparecía calor; hecho que contradecía el principio de conservación de la energía, ya que desaparecía una energía en forma de trabajo mecánico, además de que se observaba la aparición de calor sin que hubiese habido combustión alguna. Benjamin Thompson puso en evidencia este hecho cuando dirigía unos trabajos de barrenado de cañones observando que el agua de refrigeración de los taladros se calentaba durante el proceso. Para explicarlo, postuló la teoría de que el calor era una forma de energía. Thompson no consiguió demostrar que hubiese conservación de energía en el proceso de transformación de trabajo en calor, debido a la imprecisión en los aparatos de medidas que usó. Posteriormente, Prescott Joule logró demostrarlo experimentalmente, llegando a determinar la cantidad de calor que se obtiene por cada unidad de trabajo que se consume, que es de 0,239 calorías por cada julio de trabajo que se transforma íntegramente en calor. La calorimetría es la rama de la termodinámica que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor. El calorímetro es el instrumento que mide dicha energía (12). El modelo que aquí se muestra (ver Fig. 3) es aplicable al método conocido como de Berthelot – Mahler, seguido para la determinación del calor de combustión de sólidos y líquidos, utilizado en Química, Biología, Industria, etc. La bomba propiamente dicha, está constituida por un obús de acero inoxidable, de forma exterior cilíndrica e interior cilíndrico, cóncava, provista de una rosca mediante la que se atornilla la tapadera del mismo material. Esta cubierta posee una válvula de entrada del O2 procedente de una botella a través de un tubo de cobre provisto de manómetro y de una llave de paso. Además, sobre la misma tapadera existe otra válvula para la salida de gases. En la cara inferior de la cubierta existe un hilo grueso, situado verticalmente y terminado en un aro sobre el que se coloca una cápsula de acero o de cuarzo. En esta misma tapa penetra otro grueso hilo terminado, como el anterior, en una clavija de conexión eléctrica. La muestra en forma de comprimido exactamente pesado, si es sólida, o de volumen y densidad conocidos, si es líquida, se coloca en la cápsula y se conectan sendos hilos de hierro para establecer el adecuado circuito eléctrico. Una vez purgada de aire la bomba y llena de O2 a la presión deseada, se sitúa en el fondo de uno de los vasos del calorímetro propiamente dicho. Este último está integrado por una gran vasija de dobles paredes, aislada térmicamente del exterior y dotada de una tapadera que da paso a un agitador, a un termómetro digital y a los cables de conexión eléctrica. Seguidamente se adiciona una cantidad de agua conocida de manera que se cubre el obús un poco por encima de su superficie. Se cierra el sistema mediante dos semicírculos que ajustan convenientemente. Tras estas operaciones, y una vez alcanzado el equilibrio térmico mediante la agitación permanente, se procede a la combustión de la sustancia por accionamiento de un conector manual, anotándose sucesivamente las indicaciones termométricas. Se pueden seguir varios

23

procedimientos, por anotación o gráficamente, para conocer el desnivel térmico alcanzado tras la combustión. Los datos utilizables para el cálculo del calor de combustión de la muestra, son la masa de ésta, la masa del hilo de hierro que hizo de contacto, la masa del agua del calorímetro, el desnivel térmico observado tras la combustión, el calor de combustión del hierro y el denominado equivalente en agua del sistema. Esta última cantidad representa el valor teórico de la masa de agua que hubiera de experimentar un desnivel térmico análogo al experimentado por todo el conjunto de las piezas, y se investiga mediante una experiencia paralela, efectuada en igualdad de condiciones, con una sustancia estándar de calor de combustión conocido. El calor de combustión que se origina se refiere a una variación de energía a volumen constante, y ha de ser corregido para conocer el correspondiente valor a presión constante. Todos los cálculos se realizan de manera que se satisfaga la expresión que iguala la cantidad de calor liberado con la del absorbido, entendiéndose por la primera a la suma del calor producido por la sustancia al quemarse en atmósfera de oxígeno y el originado por el hilo de hierro. La segunda representa la suma de calores absorbidos por el agua del calorímetro y por su entorno. Con este instrumento se han determinado, durante muchos años, magnitudes de combustión en alimentos, carbones y lignitos de la región y datos relativos a muestras industriales de interés farmacéutico (13).

24

Figura 3. Modelo bomba calorimétrica

2.6.1. Calorimetría a volumen constante Se puede decir que la bomba calorimétrica y el agua en que se sumerge constituyen un sistema aislado. Debido a que no entra ni sale calor del sistema durante el proceso, se puede escribir:

(6)

(7) donde qagua, qbomba y qreacción son los cambios de calor del agua, de la bomba y de la reacción, respectivamente así:

(8) La cantidad qagua se obtiene por:

(9)

25

(10) El producto de la masa de la bomba por su calor específico es la capacidad calorífica de la bomba, que permanece constante para todos los experimentos efectuados en dicha bomba calorimétrica. De aquí:

(11)

(12) Como es una bomba calorimétrica, las reacciones ocurren bajo condiciones de volumen constante y no de presión constante, los cambios de calor no corresponden al cambio de entalpía ∆H (12). 2.7. PODER CALORÍFICO SUPERIOR (PCS) Y PODER CALORÍFICO INFERIOR (PCI) El poder calorífico de un combustible es la máxima cantidad de calor que se puede obtener de él cuando se quema en forma completa y sus productos son enfriados hasta la temperatura original de la mezcla aire-combustible. La principal característica de un combustible es su poder calorífico. Este calor se mide en Joule o julio, caloría o BTU, dependiendo del sistema de unidades. Entre los productos de la combustión está presente vapor de agua, el cual, dependiendo de la temperatura de los productos, puede permanecer como vapor, puede condensar parcialmente o condensar completamente. Como el vapor al condensar libera calor, mientras más condensado se forme, mayor calor se estará obteniendo del combustible. Esto permite diferenciar entre Poder Calorífico Inferior (PCI) y Poder Calorífico Superior (PCS). El Poder Calorífico Inferior (PCI) indica la cantidad de calor que puede proporcionar el combustible cuando toda el agua en los productos permanece como vapor, mientras el Poder Calorífico Superior (PCS) refleja el calor que puede liberar el combustible cuando toda el agua en los productos condensa (14). Debido a que los gases producidos durante la combustión al final se encuentran a temperaturas bastante bajas y a que el ensayo se lleva a cabo a alta presión, la mayor parte del agua presente en los productos condensa, por lo cual el poder calorífico que se está determinando es el superior (PCS). Como no se puede medir en el laboratorio la cantidad de agua presente después de la combustión, es imposible el cálculo del Poder Calorífico Inferior (PCI) del combustible.

26

2.8. CALOR DE COMBUSTIÓN Y CAMBIO DE ENERGÍA INTERN A (∆U) El calor de combustión de una sustancia se define como la energía liberada en forma de calor por la reacción de combustión cuando esta ocurre a presión constante. Esta energía es igual al cambio de entalpía (∆H) que sufre el sistema (reactivos y productos) durante el proceso (reacción). Así: qp = ∆H (13)

↑ ↑ Energía liberada en forma de calor Cambio de energía dentro del sistema

El calor de combustión estándar es la energía liberada en forma de calor cuando la reacción de formación ocurre a una presión constante de 1 atm y a una temperatura especificada, típicamente 25 °C. El calor de combustión se representa con el símbolo °H. Es decir, si se quiere determinar qp = ∆H, la energía liberada para el proceso:

REACTIVOS (P1, T1, V1) → PRODUCTOS (P1, T1, V2) Durante el proceso anterior, se mantienen constantes la presión y la temperatura, y por lo tanto, cambia el volumen. Experimentalmente, es más conveniente y más seguro, mantener el volumen constante y permitir que la presión cambie. En otras palabras, se prefiere llevar a cabo el proceso:

REACTIVOS (P1, T1, V1) → PRODUCTOS (P2, T1, V1) De acuerdo a la ecuación anterior, se observa que la variable que se mantiene es el volumen, no la presión. Puesto que el proceso ocurre bajo condiciones a volumen constante, luego, el calor medido es qv. qv es el cambio de energía interna (∆U) que sufre el sistema. qv = ∆U (14) ↑ ↑ Energía liberada en forma de calor Cambio de energía dentro del sistema En el calorímetro, el volumen es mantenido constante durante la reacción. En una bomba calorimétrica, el calor medido para la muestra quemada es qv, el cual es el cambio de energía interna de estados iniciales y finales. El cambio de entalpía (∆H) para este proceso, se relaciona a la energía interna y qv como sigue:

27

∆HH = ∆U + ∆(pV) (15)

∆(pV) = ∆nRT (16) ↑

Cambio en el número de moles de todos los gases de la reacción del sistema Aunque se quiere obtener ∆H, en el laboratorio se mide ∆U. Para procesos a volumen constante, ∆U se obtiene midiendo el calor qv. Para medir qv se utiliza la ecuación básica de calorimetría a volumen constante:

qv = CvT (17) Donde Cv es la capacidad calorífica del calorímetro a volumen constante. La capacidad calorífica del calorímetro necesita ser determinada primero con una sustancia a la cual ∆H se conoce. Luego Cv para el calorímetro se determina y la ecuación (18) puedes ser usada para resolver el calor de combustión de una muestra desconocida (15). Resumiendo,

1. Se resuelve para la capacidad calorífica del calorímetro:

Ccal = qvconocido / ∆T (18)

2. Luego este valor se usa para encontrar el valor q de la muestra desconocida:

qvdesconocido = (Ccal)( ∆T) (19) Dado que en este proceso no se produce un cambio en el volumen: Se sabe que:

W = p (∆V) (20) Donde, ∆U = cambio de energía interna del proceso W = trabajo Si el trabajo es nulo (W = 0), se puede afirmar que la energía interna se debe en su totalidad a un incremento en el calor.

∆U = q – W (21)

∆U = q (22)

28

3. SECCIÓN EXPERIMENTAL 3.1. MATERIALES Y REACTIVOS 3.1.1. Material vegetal Las tres variedades de bagazo de caña de azúcar: Cenicaña Colombia, Mayagüez Colombia y Venezuela, almacenadas al aire libre, fueron colectadas por los mismos trabajadores del Ingenio Risaralda e inmediatamente introducidas en bolsas herméticas (ziploc resellables). Posteriormente, fueron almacenadas en nevera por una semana. 3.1.2. Equipos ● Nevera Súper Nórdico ● Estufa WTB binder ● Desecador ● Balanza analítica Metler Toledo AB204 Precisión ±0.0001 g (Ultima revisión 09/06/06 por MG electrónica) ● Termómetro digital DOSTMANN electronic Serie P600 ● Bomba calorimétrica VEB Elektromotoronwerk Hartha/Kreis Döbeln ● Alambre de ignición (ferro níquel calibre 32) 3.1.3. Reactivos Se utilizó ácido benzoico para la estandarización de la bomba calorimétrica y ácido nítrico (6M) para la limpieza de los electrodos de la misma. 3.2. METODOLOGÍA 3.2.1. Determinación del porcentaje de humedad (NTC 1495) De cada variedad de bagazo de caña de azúcar se almacenaron dos bolsas herméticas (ziploc resellables) grandes, es decir, 6 bolsas en total. 3.2.1.1. Determinación del porcentaje de humedad inicial En tres cápsulas de porcelana de tamaño pequeño, secas y taradas previamente, se adicionaron aproximadamente un gramo de bagazo de la misma variedad. Las muestras se secaron en estufa a 110 ºC por 3 horas. Terminado este tiempo, las muestras fueron sacadas de la estufa y se sometieron a enfriamiento en desecador. Se pesaron nuevamente las cápsulas (tres veces hasta obtener un valor constante), y por la diferencia de pesos se determinó el porcentaje de humedad. 3.2.1.2. Determinación de porcentajes de humedad en virtud del tiempo de secado De las muestras iniciales se tomaron aproximadamente 20 gramos. Se adicionaron en platos metálicos y se sometieron a calentamiento en la estufa por 30 min. a 70ºC. Una vez

29

transcurridos los 30 minutos, los platos con la muestras fueron sacadas de la estufa, se mezclaron y se trasfirieron inmediatamente a bolsas herméticas pequeñas (ziploc resellables) y se dejaron enfriar en desecador. Se tomaron nuevamente tres cápsulas de porcelana de tamaño pequeño, secas y taradas previamente. Se adicionó un gramo de bagazo de la misma variedad a cada cápsula y se continuó con el procedimiento para determinar la humedad inicial. Seguidamente, las cápsulas con las muestras fueron sometidas a calentamiento en la estufa a 110ºC por 3 horas más. Transcurrido este tiempo, las cápsulas con la muestra fueron llevadas al desecador para evitar que el bagazo seco ganara nuevamente humedad. Finalmente, se pesaron las cápsulas con la muestra seca y se determinó la humedad por la diferencia de pesos. El mismo procedimiento se realizó para obtener muestras de la misma variedad de bagazo con diferente porcentaje de humedad, aumentando gradualmente el tiempo de calentamiento en estufa de la muestra inicial cada 30 minutos a 70 °C hasta llegar a 3 horas. 3.2.1.3. Determinación de porcentajes de humedad mayores al porcentaje de humedad en la muestra inicial Se tomaron aproximadamente 5 gramos de bagazo de la misma variedad. Luego se distribuyeron en dos platos metálicos y mediante un atomizador, se agregaron 3 mL de agua a cada plato. Se juntaron las muestras y en un solo plato se revolvieron hasta mezclarse completamente. En tres cápsulas de porcelana taradas y secas previamente, se adicionaron 1 gramo de bagazo. El bagazo restante se guardó en bolsa hermética pequeña (ziploc resellable) y se rotuló como bagazo humedecido. Las cápsulas se sometieron a calentamiento por 3 horas a 110 ºC y se continúo igual que el procedimiento para determinar la humedad inicial. Cada uno de los procedimientos se realizó por triplicado para obtener una mejor reproducibilidad en los datos. 3.2.2. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) (NTC 2128) 3.2.2.1. Calibración de la bomba calorimétrica Se pesaron aproximadamente 0.5 g de ácido benzoico y 13 cm. de alambre de ignición del más fino. Se preparó una pastilla con la masa de ácido benzoico atravesando la pastilla con el alambre. Para ello se utilizó la prensa plastilladora poniendo especial cuidado en que la pastilla no quedara ni muy dura ni muy blanda, pues la sustancia puede saltar al quemarse y la combustión sería incompleta. El polvo debe prensarse con la fuerza suficiente para que la pastilla no se deforme al manipularse. Se procedió entonces a pesar la pastilla preparada. Se colocó la pastilla uniendo los terminales de los electrodos con el alambre de ignición. Se limpiaron los terminales de los electrodos mediante la adición de 1 gota de ácido nítrico 6 molar en el punto donde hizo contacto el alambre de ignición con el electrodo y se comprobó la continuidad de la corriente con un tester. Se introdujo la cabeza en el cuerpo de la bomba y se adentraron las arandelas de plástico en el cuerpo de la bomba hasta que

30

estas quedaran al mismo nivel con el borde de la tapa para evitar que se escape el oxígeno. Para la introducción de dicho gas, se conectó la bomba al cilindro de oxígeno con la válvula de salida de gas abierta. Lentamente se abrió el cilindro de oxígeno y mediante el segundo manómetro, cuidadosamente, se reguló la inyección de oxígeno a la bomba (si se hace de forma abrupta puede esparcir la muestra) durante unos 60 segundos. Luego, se cerró la válvula de salida de gas manteniendo la llave del cilindro abierta para purgar la bomba. La llave del cilindro de gas se mantuvo abierta hasta que dejó de escucharse el sonido del gas que sale; esto indicó que la bomba se encontraba llena. Se cerraron las llaves del cilindro de gas y el segundo manómetro. Una vez realizada esta operación se desconectó la bomba del cilindro de oxígeno y se colocó el tapón de la válvula de entrada de gas rápidamente, primero con los dedos y luego con la llave, para asegurar que no se escapara el gas. Se colocó la cabeza de la bomba en el calorímetro. Se conectó el cable de unidad de ignición a uno de los tornillos de contacto del calorímetro y se instaló el termómetro digital sosteniéndolo con una pinza. Se encendieron agitador, termómetro y cronómetro al mismo tiempo. Se dejó estabilizar la temperatura por 10 minutos. Transcurrido este tiempo, se oprimió el botón de ignición por 5 segundos y se tomó la temperatura inicial. Se anotaron valores de la temperatura cada 30 segundos por 15 minutos (un aumento en la temperatura después de 2 minutos indicó que la combustión se llevó a cabo). Después de estos 15 minutos, la cabeza de la bomba fue extraída y se colocó a un lado del calorímetro. Manteniendo encendido el agitador, se continuó anotando la temperatura hasta dos minutos después y se tomó la temperatura final. Una vez terminado el paso anterior, se permitió la salida del gas de la combustión abriendo la válvula de salida de gas y se retiró la tapa de seguridad de la cabeza de la bomba. Se examinó el interior del cuerpo de la bomba para observar si se había producido hollín durante la combustión y de esta manera evidenciar si la combustión fue incompleta. Por ultimo, se pesaron los residuos del alambre de ignición sin quemar presentes en la bomba. El procedimiento de calibración de la bomba calorimétrica se realizó 6 veces para así garantizar una excelente calibración, ya que de ello dependía la exactitud en las determinaciones realizadas posteriormente en la bomba. 3.2.2.2. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) del bagazo de caña azúcar Se pesaron aproximadamente 0.5 g de bagazo y 13 cm. de alambre de ignición del más fino. Se adicionaron las muestras directamente en un crisol para combustibles y se continuó con el mismo procedimiento para la calibración de la bomba calorimétrica.

31

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1. DETERMINACIÓN DEL PORCENTAJE DE HUMEDAD 4.1.1. Determinación del porcentaje de humedad inicial

Referencia Peso Muestra Húmeda (g)

Peso Muestra Seca (g)

Humedad (%)

Cenicaña 1.0362 0.5471 47.2 Mayagüez 1.0048 0.5306 47.2 Venezuela 1.0025 0.5423 45.9

Tabla. 1. Determinación del porcentaje de humedad inicial de tres variedades de bagazo de

caña azúcar Como se observa en la Tabla 1. las variedades que mostraron mayor porcentaje de humedad fueron las variedades Cenicaña Colombia y Mayagüez Colombia. Ambas variedades comparten el mismo valor de humedad entregado por el Ingenio Risaralda de 47.2%. La variedad Venezuela mostró un porcentaje más bajo. 4.1.2. Determinación de porcentajes de humedad en virtud del tiempo de secado 4.1.2.1. Determinación de porcentajes de humedad en virtud del tiempo de secado de la variedad Cenicaña Colombia

Referencia Tiempo de Secado (min.)

a 70 °C

Peso Muestra Húmeda (g)


Humedad (%)

Cenicaña 30 1.0009 0.5969 40.4 Cenicaña 60 1.0034 0.7157 28.7 Cenicaña 90 1.0046 0.7791 22.5 Cenicaña 120 1.0045 0.9617 4.27 Cenicaña 150 1.0014 0.9814 2.00 Cenicaña 180 1.0027 0.9866 1.61

Tabla 2. Determinación de porcentajes de humedad en virtud del tiempo de secado

variedad Cenicaña Colombia

32

Figura 4. Curva de secado variedad Cenicaña Colombia

0.00.00.00.0

5.05.05.05.0

10.010.010.010.0

15.015.015.015.0

20.020.020.020.0

25.025.025.025.0

30.030.030.030.0

35.035.035.035.0

40.040.040.040.0

45.045.045.045.0

50.050.050.050.0

0000 30303030 60606060 90909090 120120120120 150150150150 180180180180Tiem po de Secado (m in)Tiem po de Secado (m in)Tiem po de Secado (m in)Tiem po de Secado (m in)

Hum

edad

(%

)H

umed

ad (

%)

Hum

edad

(%

)H

umed

ad (

%)

33

En la Figura 4. se observa, a medida que crece el tiempo, un tramo recto seguido de otro curvo que continua en otro recto asintótico. En los primeros 180 min. se visualiza una tendencia lineal y en los restantes 450 min. una tendencia no lineal, pero en los 90 min. (22.5 % de humedad), se estima que se encuentra el punto de humedad crítica, porque es el punto en el cual, la tendencia de la curva cambia. Durante el periodo de velocidad de secado constante, es decir, para humedades del material a secar superiores a la humedad crítica, la velocidad de transporte de materia a través del sólido es grande, no controlando el proceso de transporte, de forma que todo el líquido que se evapora es inmediatamente suministrado por el sólido humedecido. Por otra parte, para el periodo de velocidad de secado decreciente, es decir, para humedades inferiores a la crítica, la velocidad de secado será más o menos compleja. 4.1.2.2. Determinación de porcentajes de humedad en virtud del tiempo de secado de la variedad Mayagüez Colombia


a 70 °C



Humedad (%)

Mayagüez 30 1.0025 0.7018 30.0 Mayagüez 60 1.0074 0.8310 17.5 Mayagüez 90 1.0036 0.9523 5.11 Mayagüez 120 1.0033 0.9764 2.67 Mayagüez 150 1.0027 0.9854 1.82 Mayagüez 180 1.0014 0.9832 1.72


variedad Mayagüez Colombia

34

Figura 5. Curva de secado variedad Mayagüez Colombia

0.000.000.000.00

5.005.005.005.00

10.0010.0010.0010.00

15.0015.0015.0015.00

20.0020.0020.0020.00

25.0025.0025.0025.00

30.0030.0030.0030.00

35.0035.0035.0035.00

40.0040.0040.0040.00

45.0045.0045.0045.00

50.0050.0050.0050.00

0000 30303030 60606060 90909090 120120120120 150150150150 180180180180 210210210210

Tiem po de Secado (m in)Tiem po de Secado (m in)Tiem po de Secado (m in)Tiem po de Secado (m in)

Hum

edad

(%

)H

umed

ad (

%)

Hum

edad

(%

)H

umed

ad (

%)

35

En la Figura 5. se observa también, a medida que crece el tiempo, un tramo recto seguido de otro curvo que continua en otro recto asintótico. En los primeros 60 min. se visualiza una tendencia lineal y en los restantes 540 min. una tendencia no lineal, pero en los 60 min. (17.5 % de humedad), se estima que se encuentra el punto de humedad crítica, porque es el punto en el cual, la tendencia de la curva cambia. Durante el periodo de velocidad de secado constante, es decir, para humedades del material a secar superiores a la humedad crítica, la velocidad de transporte de materia a través del sólido es grande, no controlando el proceso de transporte, de forma que todo el líquido que se evapora es inmediatamente suministrado por el sólido humedecido. Por otra parte, para el periodo de velocidad de secado decreciente, es decir, para humedades inferiores a la crítica, la velocidad de secado será más o menos compleja. 4.1.2.3. Determinación de porcentajes de humedad en virtud del tiempo de secado de la variedad Venezuela


a 70 °C



Humedad (%)

Venezuela 30 1.0198 0.6676 34.5 Venezuela 60 1.0035 0.7246 27.8 Venezuela 90 1.0025 0.7828 21.9 Venezuela 120 1.0046 0.9812 2.33 Venezuela 150 1.0015 0.9840 1.74 Venezuela 180 1.0008 0.9888 1.20


variedad Venezuela

36

Figura 6.

Curva de secado variedad Venezuela

Para la Figura 6. se observa al igual que en las otras dos variedades, a medida que crece el tiempo, un tramo recto seguido de otro curvo que continua en otro recto asintótico.

0000

5555

10101010

15151515

20202020

25252525

30303030

35353535

40404040

45454545

50505050

0000 30303030 60606060 90909090 120120120120 150150150150 180180180180 210210210210

Tiem po de Secado (m in)Tiem po de Secado (m in)Tiem po de Secado (m in)Tiem po de Secado (m in)

Hum

edad

(%

)H

umed

ad (

%)

Hum

edad

(%

)H

umed

ad (

%)

37

Esta variedad al igual que la variedad Cenicaña Colombia mostró en los primeros 90 min. una tendencia lineal y en los restantes 450 min. una tendencia no lineal, pero en los 90 min. (21.9 % de humedad), se estima que se encuentra el punto de humedad crítica, porque es el punto en el cual, la tendencia de la curva cambia. Durante el periodo de velocidad de secado constante, es decir, para humedades del material a secar superiores a la humedad crítica, la velocidad de transporte de materia a través del sólido es grande, no controlando el proceso de transporte, de forma que todo el líquido que se evapora es inmediatamente suministrado por el sólido humedecido. Por otra parte, para el periodo de velocidad de secado decreciente, es decir, para humedades inferiores a la crítica, la velocidad de secado será más o menos compleja. 4.1.3. Determinación de porcentajes de humedad mayores al porcentaje de humedad en la muestra inicial


Peso Muestra Seca /g)

Humedad (%)


Tabla 5. Determinación de porcentajes de humedad mayores al porcentaje de humedad

inicial de tres variedades de bagazo de caña azúcar

De la Tabla 5. se obtienen unos porcentajes de humedad más altos a los reportados por el mismo Ingenio Risaralda (47.2%) y a los mismos datos obtenidos durante todo el desarrollo de esta investigación. Esta determinación solo se realizó para determinar un poder calorífico dependiendo de cuanta agua poseía cada una de las tres variedades de bagazo de caña de azúcar utilizadas. Cabe aclarar, que en el Ingenio Risaralda no se le realizan determinaciones de porcentajes de humedad a cada una de las variedades de bagazo de caña que ellos utilizan para el funcionamiento de las calderas por independiente, sino que realizan una determinación general, es decir, cada determinado tiempo, al laboratorio llegan muestras de bagazo y a dicho bagazo se le determina el porcentaje de humedad sin importar de que variedad de caña provengan. 4.2. DETERMINACIÓN DEL PODER CALORÍFICO SUPERIOR (P CS)

38

4.2.1. Calibración de la bomba calorimétrica Referencia Muestra

(g) Alambre Inicial

(g)

Alambre Final (g)

Temperatura Inicial (°C)

Temperatura Final (°C)

PCS (J/g)

Ácido Benzoico

0.6032 0.0314 0.0142 24.25 25.57 26449.8099

Tabla 6. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) Ácido Benzoico

Como se puede observar en la Tabla 6. la bomba calorimétrica del laboratorio de fisicoquímica de la Universidad Tecnológica de Pereira realiza una determinación óptima del Poder Calorífico Superior (PCS) en comparación con datos teóricos encontrados en la literatura (25350 J/g) (16). Teniendo en cuenta el tiempo de duración de dicha bomba en el laboratorio y los múltiples ajustes que se le han realizado buscando con éxito la continuidad en su funcionamiento, consideramos que es un valor bueno, y aunque es apreciable la diferencia entre los dos valores reportados, el porcentaje de error es bajo (4.16%). La calibración de la bomba calorimétrica se realiza con ácido benzoico porque es una sustancia de referencia a nivel mundial, un estándar universal. La sustancia de referencia se utiliza para determinar el calor ganado por el calorímetro como la diferencia del valor de calor de combustión de la sustancia patrón y el calor que absorbe el agua.

39

4.2.2. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) del bagazo de caña azúcar 4.2.2.1. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) de la variedad Cenicaña Colombia

Referencia Muestra (g)

Alambre Inicial

(g)

Alambre Final (g)

T Inicial (°C)

T Final (°C)

Humedad Promedio

(%)

PCS (J/g)

PCS Promedio

(J/g) Cenicaña

humedecida 0.5007 0.0350 0.0219 22.33 22.69 54.5 8591.9188 8477.3929 Cenicaña

humedecida 0.5005 0.0354 0.0232 22.58 22.93 8362.8671 Cenicaña 0.5000 0.0326 0.0210 24.28 24.71 47.2 10324.3545 10484.2259 Cenicaña 0.5009 0.0320 0.0078 24.80 25.25 10644.0972 Cenicaña 0.5020 0.0317 0.0036 23.29 23.77 40.4 11302.1412 11152.7062 Cenicaña 0.5013 0.0325 0.0190 23.80 24.26 11003.2712 Cenicaña 0.5001 0.0326 0.0040 21.97 22.52 28.7 13041.7165 12934.0553 Cenicaña 0.5002 0.0326 0.0066 22.59 23.13 12826.3940 Cenicaña 0.5002 0.0329 0.0200 24.33 24.87 22.5 12979.8122 13106.0791 Cenicaña 0.5002 0.0322 0.0201 24.77 25.32 13232.3459 Cenicaña 0.5002 0.0317 0.0047 23.95 24.61 4.27 15732.6579 15688.1706 Cenicaña 0.5004 0.0304 0.0171 24.47 25.12 15643.6833 Cenicaña 0.5010 0.0319 0.0082 22.32 23.02 2.00 16717.2267 16709.2781 Cenicaña 0.5006 0.0332 0.0070 23.02 23.72 16701.3296 Cenicaña 0.5007 0.0310 0.0140 22.23 22.96 1.61 17534.3958 17443.9389 Cenicaña 0.5007 0.0331 0.0214 23.06 23.78 17353.4820 Cenicaña

seca 0.5001 0.0317 0.0114 23.91 24.66 18003.2042 18096.6981 Cenicaña

seca 0.5001 0.0312 0.0061 24.70 25.46 18190.1919 Tabla 7. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) variedad Cenicaña Colombia Como se puede observar en la Tabla 7. el Poder Calorífico Superior (PCS) fue incrementándose gradualmente a medida que el porcentaje de humedad iba disminuyendo.

40

Cenicaña Colombia

Humedad (%)

PC

S (

J/g

)

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.07515.46

9439.32

11363.18

13287.04

15210.90

17134.76

19058.62

Figura 7. Curva polinomial variedad Cenicaña Colombia

De su representación gráfica (Figura 7.), un polinomio de grado 5, con un error normal de 307.3438921 y con un coeficiente de correlación de 0.9984474, se deduce la siguiente ecuación:

y = a + bx + cx2 + dx3 + ex4 + fx5 Donde los datos de los coeficientes son: a = 18229.21 b = -785.53047 c = 55.035411 d = -1.9569172 e = 0.032419754 f = -0.00020718737

41

4.2.2.2. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) de la variedad Mayagüez Colombia


Alambre Inicial

(g)

Alambre Final (g)

T Inicial (°C)

T Final (°C)

Humedad Promedio

(%)

PCS (J/g)

PCS Promedio

(J/g) Mayagüez

humedecida 0.5006 0.0315 0.0207 22.35 22.75 52.0 9592.4308 9474.8057 Mayagüez

humedecida 0.5005 0.0316 0.0213 22.82 23.21 9357.1807 Mayagüez 0.5013 0.0315 0.0064 23.94 24.43 47.2 11595.6111 11229.8267 Mayagüez 0.5012 0.0314 0.0058 24.56 25.02 10864.0424 Mayagüez 0.5010 0.0314 0.0037 23.06 23.65 30.0 13999.9169 13755.9713 Mayagüez 0.5010 0.0312 0.0033 23.75 24.32 13512.0257 Mayagüez 0.5013 0.0316 0.0070 24.40 25.02 17.5 14755.6572 14744.8569 Mayagüez 0.5012 0.0317 0.0050 24.98 25.60 14734.0565 Mayagüez 0.5012 0.0312 0.0052 25.70 26.38 5.11 16198.3147 15994.4341 Mayagüez 0.5010 0.0310 0.0111 26.15 26.81 15790.5534 Mayagüez 0.5016 0.0316 0.0079 24.49 25.21 2.67 17182.2019 16940.7966 Mayagüez 0.5015 0.0316 0.0078 26.00 26.70 16699.3914 Mayagüez 0.5010 0.0314 0.0112 24.21 24.92 1.82 17000.9272 17099.0429 Mayagüez 0.5013 0.0313 0.0080 24.74 25.46 17197.1587 Mayagüez 0.5013 0.0314 0.0102 23.21 23.95 1.72 17706.9605 17473.6114 Mayagüez 0.5011 0.0312 0.0110 23.91 24.63 17240.2623 Mayagüez

seca 0.5005 0.0316 0.0061 26.06 26.81 17927.9537 17479.8467 Mayagüez

seca 0.5003 0.0317 0.0121 26.74 27.45 17031.7396 Tabla 8. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) variedad Mayagüez Colombia

En la Tabla 8. se evidencia un incremento gradual en el Poder Calorífico Superior (PCS) aunque en menor medida comparada con la variedad Cenicaña Colombia, detallándose en las ultimas cuatro determinaciones, valores bastantes similares.

42

Mayagüez Colombia

Humedad (%)

PC

S (

J/g

)

0.0 9.5 19.1 28.6 38.1 47.7 57.28674.33

10275.29

11876.25

13477.21

15078.17

16679.13

18280.09

Figura 8. Curva polinomial variedad Mayagüez Colombia

De su representación gráfica (Figura 8.), un polinomio de grado 5, con un error normal de 289.0905469 y un coeficiente de correlación de 0.9981469, se obtiene la siguiente ecuación:

y = a + bx + cx2 + dx3 + ex4 + fx5 Donde: a = 17693.787 b = -360.579 c = 18.471552 d = -0.59299454 e = 0.010161056 f = -7.9757293e-05

43

4.2.2.3. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) de la variedad Venezuela


Alambre Inicial

(g)

Alambre Final (g)

T Inicial (°C)

T Final (°C)

Humedad Promedio

(%)

PCS (J/g)

PCS Promedio

(J/g) Venezuela

humedecida 0.5013 0.0333 0.0322 22.90 23.28 52.2 9207.1247 9171.5259 Venezuela

humedecida 0.5014 0.0354 0.0076 23.26 23.65 9135.9272 Venezuela 0.5010 0.0313 0.0171 23.99 24.42 45.9 10273.3462 10389.4339 Venezuela 0.5000 0.0329 0.0160 23.78 24.22 10505.5215 Venezuela 0.5016 0.0327 0.0000 23.05 23.55 34.5 11742.4042 11677.7924 Venezuela 0.5015 0.0336 0.0104 23.38 23.87 11613.1805 Venezuela 0.5004 0.0334 0.0117 22.34 22.84 27.8 11899.3365 11937.3830 Venezuela 0.5004 0.0332 0.0180 23.01 23.51 11975.4296 Venezuela 0.5009 0.0311 0.0073 23.35 23.89 21.9 12834.1982 12526.3978 Venezuela 0.5003 0.0314 0.0160 24.32 24.83 12218.5974 Venezuela 0.5012 0.0310 0.0124 25.38 26.00 2.33 14828.7289 14608.7387 Venezuela 0.5008 0.0310 0.0153 26.10 26.70 14388.7486 Venezuela 0.5005 0.0316 0.0186 24.99 25.61 1.74 14915.0125 15057.2636 Venezuela 0.5007 0.0322 0.0025 24.48 25.12 15199.5147 Venezuela 0.5006 0.0327 0.0142 22.67 23.34 1.20 16062.5238 16085.6353 Venezuela 0.5008 0.0304 0.0164 23.66 24.33 16108.7468 Venezuela

seca 0.5002 0.0318 0.0199 23.05 23.76 17125.3217 17386.3941 Venezuela

seca 0.5006 0.0324 0.0040 23.76 24.50 17647.4665

Tabla 9. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) variedad Venezuela

Y finalmente, para la Tabla 9. los valores obtenidos también aumentaron de manera gradual y en mayor proporción comparada con la variedad Mayagüez Colombia.

44

Venezuela

Humedad (%)

PC

S (

J/g

)

0.0 9.6 19.1 28.7 38.3 47.9 57.48350.04

9993.01

11635.98

13278.95

14921.92

16564.89

18207.86

Figura 9. Curva polinomial variedad Venezuela

De su representación gráfica (Figura 9.), un polinomio de grado 5, con un error normal de 267.9980600 y un coeficiente de correlación de 0.9981962, se deduce la siguiente ecuación:

y = a + bx + cx2 + dx3 + ex4 + fx5

Donde los datos del coeficiente son entonces: a = 17425.782 b = -1475.1811 c = 133.53655 d = -5.2154047 e = 0.091320425 f = -0.00059689521

45

De los valores suministrados por cada una de las tablas se puede inferir que la variedad de bagazo de caña de azúcar que mayor Poder Calorífico Superior (PCS) libera es la variedad Cenicaña Colombia, seguida respectivamente por las variedades Mayagüez Colombia y Venezuela La variedad Cenicaña Colombia es la variedad que más se acerca en su valor de Poder Calorífico Superior (PCS) del bagazo, al reportado en la literatura (19200 J/g). Queda entonces claro, que el bagazo de caña de azúcar posee un Poder Calorífico Superior (PCS) alto dentro de la clasificación que se le da como biomasa. (ver Anexo D.). La información obtenida mediante las ecuaciones polinómicas permiten hallar el Poder Calorífico Superior (PCS) de las variedades de bagazo de caña de azúcar: Cenicaña Colombia, Mayagüez Colombia y Venezuela, una vez se tenga el porcentaje de humedad. Este software estadístico -CurveExpert 1.3- emplea una gran cantidad de modelos de regresión (lineal y no lineal), así como varios esquemas de la interpolación para representar los datos de la manera más exacta y conveniente. Además, se puede definir cualquier modelo modificado (gráficas) para requisitos particulares deseadas para el uso en un análisis de la regresión. Retomando las ecuaciones, y reemplazando las variables X y Y por porcentaje de humedad (%H) y Poder Calorífico Superior (PCS) respectivamente, quedarían de la siguiente manera: ● Variedad Cenicaña Colombia

PCS = 18229.21 + (-785.53047)(%H) + (55.035411)(%H)2 + (-1.9569172)(%H)3 + (0.032419754)(%H)4 + (0.00020718737)(%H)5

●Variedad Mayagüez Colombia

PCS = 17693.787 + (-360.579)(%H) + (18.471552)(%H)2 + (-0.59299454)(%H)3 + (0.010161056)(%H)4 + (-7.9757293e-05)(%H)5

●Variedad Venezuela

PCS = 17425.782 + (-1475.1811)(%H) + (133.53655)(%H)2 + (-5.2154047)(%H)3 + (0.091320425)(%H)4 + (0.00059689521)(%H)5

Se hace claridad y énfasis en que dichas ecuaciones son solo un modelo aproximado y sencillo para una determinación del Poder Calorífico Superior (PCS), ya que incluye solo una variable, el porcentaje de humedad.

46

4.3. VALIDACIÓN DE RESULTADOS 4.3.1. Validación del porcentaje de humedad



Humedad (%)


Tabla 10. Determinación del porcentaje de humedad para validación de resultados de tres

variedades de bagazo de caña de azúcar

En la Tabla 10. se puede observar que se lograron unos buenos resultados en el porcentaje de humedad para las tres variedades de bagazo de caña de azúcar 4.3.2. Validación del Poder Calorífico Superior (PCS) 4.3.2.1. Validación del Poder Calorífico Superior (PCS) de la variedad Cenicaña Colombia


Alambre Inicial

(g)

Alambre Final (g)

T Inicial (°C)

T Final (°C)

Humedad Promedio

(%)

PCS (J/g)

PCS Promedio

(J/g) Cenicaña 0.5010 0.0313 0.0129 22.90 23.45 22.4 13137.5529 13148.2203 Cenicaña 0.5009 0.0317 0.0149 22.29 22.84 22.4 13158.8876

Tabla 11. Determinación del Poder Calorífico Superior (PCS) para validación de

resultados variedad Cenicaña Colombia

La Tabla 11. expone un Poder Calorífico Superior (PCS) muy acorde al porcentaje de humedad. Este resultado se comparó con el valor obtenido por medio del programa estadístico (13246.9 J/g) y se observa claramente que el porcentaje de error es de 0.74%. 4.3.2.2. Validación del Poder Calorífico Superior (PCS) de la variedad Mayagüez Colombia

47


Alambre Inicial

(g)

Alambre Final (g)

T Inicial (°C)

T Final (°C)

Humedad Promedio

(%)

PCS (J/g)

PCS Promedio

(J/g) Mayagüez 0.5010 0.0318 0.0152 23.46 24.14 5.09 16314.6917 16203.0871 Mayagüez 0.5005 0.0316 0.0153 24.09 24.76 5.09 16091.4825


resultados variedad Mayagüez Colombia

En la Tabla 12. el valor obtenido también guarda concordancia con el porcentaje de humedad. El valor que arrojó el programa (16265.4 J/g) comparado con el obtenido experimentalmente, muestra un porcentaje de error de 0.38%. 4.3.2.3. Validación del Poder Calorífico Superior (PCS) de la variedad Venezuela


Alambre Inicial

(g)

Alambre Final (g)

T Inicial (°C)

T Final (°C)

Humedad Promedio

(%)

PCS (J/g)

PCS Promedio

(J/g) Venezuela 0.5006 0.0318 0.0175 24.61 25.14 21.8 12710.0878 12350.4229 Venezuela 0.5002 0.0320 0.0177 24.96 25.46 21.8 11990.7580


resultados variedad Venezuela

También y como al igual que en las dos variedades anteriores, se puede observar en la Tabla 13. que el valor obtenido para el Poder Calorífico Superior (PCS) va de acuerdo al porcentaje de humedad. En comparación con el valor arrojado por el software (12382.1 J/g), el porcentaje de error fue de 0.26%. La variedad de bagazo de caña de azúcar que presentó menor porcentaje de error fue entonces la variedad Venezuela, seguida de la variedad Mayagüez Colombia y la variedad Cenicaña Colombia respectivamente. Las tres variedades arrojaron unos porcentajes de error aceptables (no sobrepasaron el límite del 5 %) y por lo tanto, se puede considerar que la validación de los resultados obtenidos experimentalmente durante toda la investigación fue buena. Por todo lo anterior, se puede afirmar que a menor porcentaje de humedad mayor Poder Calorífico Superior (PCS).

48

5. CONCLUSIONES

● Se identificaron las principales variedades de bagazo de la caña de azúcar que se utilizan en la industria azucarera de la zona del Risaralda: Cenicaña Colombia, Mayagüez Colombia y Venezuela. ● Se determinó el Poder Calorífico Superior (PCS) para las tres principales variedades de bagazo de caña de azúcar: Cenicaña Colombia, Mayagüez Colombia y Venezuela, utilizadas en la industria azucarera de la zona del Risaralda en función del porcentaje de humedad.

● Se efectuó un estudio comparativo de los resultados obtenidos para cada muestra analizada por medio de tablas y gráficas donde quedó claramente evidenciado y de manera importante y considerable, que la variedad de bagazo de caña de azúcar que mejor Poder Calorífico Superior (PCS) libera es la Variedad Cenicaña Colombia, seguida de la variedad Mayagüez Colombia y variedad Venezuela respectivamente. ● Se hallaron correlaciones donde se obtuvo el Poder Calorífico Superior (PCS) para las diferentes variedades de bagazo de caña de azúcar utilizando el porcentaje de humedad respectivo, arrojando como resultado, ecuaciones polinómicas de grado 5 de la forma:

y = a + bx + cx2 + dx3 + ex4 + fx5

49

6. RECOMENDACIONES ● Se recomienda realizar un estudio para hallar el Poder Calorífico Superior de los diferentes combustibles alternos utilizados en la industria azucarera de la zona del Risaralda tales como: cascarilla de arroz, cascarilla de café, crudo de castilla o fuel oil y hoja picada, como herramienta valedera en el área de combustión y calderas del Ingenio Risaralda. ● Se recomienda realizar una investigación más rigurosa utilizando no solo la variable porcentaje de humedad, sino también, otras variables como porcentaje de cenizas, porcentaje de sacarosa y materia extraña para determinar el Poder Calorífico Superior (PCS).

50

BIBLIOGRAFÍA 1. El bagazo como combustible y su relación con los principales factores agroindustriales. Fuentes de energía en la industria de la caña de azúcar por Ing. Félix Gonzáles Pérez. Mundo eléctrico. Revista especializada del sector eléctrico. Abril-junio 2006. Vol.20 No.63. Bogota, Colombia. 2. www.sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtual/Publicaciones/hidraulica_mecanica/2001_n2/criterios.htm. Abril 23 de 2007. 3. http://www.cenicana.org/agroindustria/region_azucar.php. Abril 23 de 2007. 4. Valor del exceso de bagazo como combustible para generar electricidad. Ing. Pablo Perea. Sugar y azúcar. Abril 1981. Vol.76 No.4. Abril 23 de 2007. 5. http://www.bun-ca.org/publicaciones/BIOMASA.pdf. Abril 23 de 2007. 6. http://www.elsalvador.com/hablemos/Ediciones/012002/medioambiente.htm. Abril 24 de 2007. 7. http://www.procana.org/canazuc1.htm. Abril 24 de 2007. 8. http://www.perafan.com/ea02cana.html. Abril 24 de 2007. 9. Efecto de las cenizas en el poder calorífico superior del bagazo de la caña de azúcar. Ing. Arbey Carvajal, Ing. Adolfo Gómez, Ing. Carlos Briceño. Carta trimestral Cenicaña. Año 26 No. 4 Cali, Colombia 2004. 10. http://www.hengel.com.br/espanhol/artigos.html. Abril 24 de 2007. 11. http://www.monografias.com/trabajos15/determinacion-humedad/determinacion-humedad.shtml. Abril 25 de 12007. 12. http://www.monografias.com/trabajos17/calorimetria/calorimetria.shtml. Abril 25 de 2007. 13. http://www.ugr.es/~museojtg/instrumento37/ficha_fundamentos2.htm. Abril 25 de 2007. 14. http://www.unet.edu.ve/~rarevalo/Documentos/BOMBA CALORIMETRICA.doc. Abril 25 de 2007.

51

15. http://academic.uprm.edu/ccsde/QuimicaFisica/Calor%20de%20combustion.pdf. Abril 25 de 2007. 16. http://www.redproteger.com.ar/poder_calorifico.htm. Abril 25 de 2007.

52

Anexo A. EQUIVALENCIAS ENTRE COMBUSTIBLES MÁS COMUN ES Y BIOMASAS

COMBUSTIBLE (1 Kg) BIOMASA O BIOCOMBUSTIBLE A UTILIZAR

Alcohol etílico 1.4 Kg de bagazo 1.5 Kg de cascarilla de café

1.7 Kg de pulpa de café 1.18 m3 de biogás

Alcohol metílico 1.1 Kg de bagazo 1.2 Kg de cascarilla de café


Carbón vegetal 1.5 Kg de bagazo 1.6 Kg de cascarilla de café


Coque 1.6 Kg de bagazo 1.8 Kg de cascarilla de café


Diesel 2.3 Kg de bagazo 2.5 Kg de cascarilla de café


Fuel oil 2.2 Kg de bagazo 2.4 Kg de cascarilla de café


GLP 2.3 Kg de bagazo 2.6 Kg de cascarilla de café

2.8 Kg de pulpa de café 2 m3 de biogás

Gasolina 95 octanos 2.2 Kg de bagazo 2.4 Kg de cascarilla de café


Kerosén 2.4 Kg de bagazo 2.6 Kg de cascarilla de café

2.9 Kg de pulpa de café 2 m3 de biogás

53

Leña 0.8 Kg de bagazo 0.9 Kg de cascarilla de café


Petróleo crudo 2.3 Kg de bagazo 2.5 Kg de cascarilla de café


54

Anexo B. CONSECUENCIAS MEDIOAMBIENTALES DE LOS COMB USTIBLES FÓSILES Y DE LOS BIOCOMBUSTIBLES

COMBUSTIBLES FÓSILES BIOCOMBUSTIBLES Lluvia ácida. Cuando los combustibles fósiles son quemados, el azufre, el nitrógeno y el carbono desprendidos se combinan con el oxígeno para formar óxidos. Cuando estos óxidos son liberados en el aire, reaccionan químicamente con el vapor de agua de la atmósfera, formando ácido sulfúrico, ácido nítrico y ácido carbónico, respectivamente. Esos vapores de agua que contienen ácidos entran en el ciclo del agua y por tanto, pueden perjudicar la calidad biológica de bosques, suelos, lagos y arroyos.

Su producción conlleva la pérdida de bosques tropicales y de su riqueza en biodiversidad al requerir del establecimiento de plantaciones de palma aceitera, soya, etc. que también son conocidas como “desiertos verdes”, por secar las fuentes naturales de agua y humedales.

Cenizas. La combustión de combustibles fósiles produce unas partículas sólidas no quemadas llamadas cenizas. Las plantas que queman carbón emiten grandes cantidades de cenizas a la atmósfera. Sin embargo, las regulaciones actuales existentes en muchos países exigen que las emisiones que contengan cenizas sean limpiadas o que las partículas sean controladas de otra manera para reducir esa fuente de contaminación atmosférica. Aunque el petróleo y el gas natural generan menos cenizas que el carbón, la contaminación del aire producida por las cenizas del combustible de los automóviles pueden ser un problema en ciudades en las que se concentra un gran número de vehículos de gasolina y diesel.

En otros casos, las superficies para estas plantaciones son ganadas a costa de superficies de cultivos alimenticios: ha comenzado una especie de competencia entre producción de alimentos y producción de combustibles.

Calentamiento global. El dióxido de carbono es el principal subproducto de la combustión de los combustibles fósiles. Es lo que los científicos llaman un gas invernadero. Los gases invernadero absorben el calor del sol reflejado en la superficie de la tierra y lo retienen,

La quema de bosques para el establecimiento de plantaciones, libera mucho más CO2 del que se puede ahorrar por el uso de los biocombustibles que se promocionan falsamente como “más ecológicos”.

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manteniendo la tierra caliente y habitable para los organismos vivos. No obstante, el rápido desarrollo industrial de los siglos XIX y XX ha provocado un incremento de las emisiones procedentes de la combustión de combustibles fósiles, elevando el porcentaje de dióxido de carbono en la atmósfera en un 28%. Este dramático incremento ha llevado a algunos científicos a predecir un escenario de calentamiento global que puede causar numerosos problemas medioambientales, como la destrucción de los modelos climáticos y la fusión del casquete polar.

La demanda de biocombustibles potencia los monocultivos, y por lo tanto, mayor uso de plaguicidas y herbicidas, contaminándose también las aguas, dañando la salud humana y contaminando el medio ambiente.

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Anexo C. PRINCIPALES COMBUSTIBLES UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA Y SU PODER CALORÍFICO

COMBUSTIBLE PODER CALORÍFICO (KJ/Kg) Alcohol etílico 27214

Alcohol metílico 21143 Butano 46054

Carbón vegetal 29307 Coque 31500 Diesel 43961 Fuel oil 42500

GLP 45845 Gasolina 95 octanos 43542 Gasolina 98 octanos 44170

Hulla 33500 Kerosén 46054

Leña 16747 Metano 33500

Petróleo crudo 43124 Propano 46054

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Anexo D. PODER CALORÍFICO DE SUBPRODUCTOS

SUBPRODUCTOS PODER CALORÍFICO (KJ/Kg) Bagazo 19200 Cachaza 8000 Melaza 9500

Frutas de rechazo, cáscaras y semillas 3500 Orujo de uva 19126 Pulpa de café 15900

Cascarilla de café 17500 Vinaza 4500

Harinas de oleaginosas 14000

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