Metodologías termogravimétricas para la determinación del...

of 8/8
1 Metodologías termogravimétricas para la determinación del contenido de cenizas en bagazo y en residuos agrícolas de la cosecha en verde de la caña de azúcar en Tucumán M. Gabriela Mistretta*, Gimena Zamora Rueda*, Florencia Peralta*, Cynthia Gutiérrez***, M. Valeria Bravo****, Hector Zalazar***, Enrique A. Feijóo****, Marcos A. Golato**, Dora Paz***** y Gerónimo J. Cárdenas* Introducción El bagazo de la caña de azúcar es un subproducto de su molienda y es el principal combustible de la industria azucarera, pero debido a ineficiencias en el proceso de fabricación de azúcar y a las constantes variaciones en el consumo de vapor de fábrica, es necesario utilizar combustibles adicionales como el gas natural y/o el “fuel oil”. Estos últimos combustibles presentan en la actualidad el inconveniente de su falta de disponibilidad y elevado costo. Desde el año 2005, la Estación Experimental Agroindustrial Obispo Colombres (EEAOC) ha estado realizando estudios para el aprovechamiento energético de los residuos agrícolas de la cosecha en verde de la caña de azúcar (RAC), ya que por sus características físico-químicas y caloríficas similares a las del bagazo constituyen un potencial biocombustible para operar los generadores de vapor en la producción de energía térmica y mecánica en la industria azucarera (Paz et al., 2007; Aso et al., 2008; De Boeck et al., 2009 y Castagnaro et al., 2011). Con ellos, podrían sustituirse los combustibles de fuentes no-renovables, como lo son los derivados del petróleo o el carbón. Así mismo, el uso del RAC aparece como una importante alternativa para conformar sistemas de producción más limpios, que prescinden de la quema de este material vegetal, conservando el suelo y ofreciendo una posibilidad para la generación de energía eléctrica. En general, el uso de la biomasa de origen agroindustrial como recurso energético ofrece variadas ventajas con respecto a las fuentes de energía convencionales. Tanto el bagazo como el RAC poseen características específicas que viabilizan su utilización como biocombustibles para la cogeneración de energía (generación simultánea de energía térmica y eléctrica). No obstante, es necesario caracterizar los biocombustibles para analizar y predecir el comportamiento que podrían tener en el interior del hogar de la caldera. Unos de los parámetros fundamentales a evaluar para garantizar una operación eficiente y segura del combustible en el generador es su contenido de cenizas. Este parámetro se encuentra asociado a la formación de aglomerados de ceniza que influyen negativamente en las grillas y generan depósitos de escoria en las diferentes partes internas del generador de vapor. Además, altos contenidos de cenizas producen una acelerada corrosión y erosión de los tubos del lado de * Ing. Qco., ** Ing. Mco., ***Tco., ****Ing. Ind., *****Dra. Ing. Qco., Sección Ingeniería y Proyectos Agroindustriales, EEAOC. e-mail: [email protected]
  • date post

    12-May-2018
  • Category

    Documents

  • view

    263
  • download

    3

Embed Size (px)

Transcript of Metodologías termogravimétricas para la determinación del...

  • 1

    Metodologas termogravimtricas para la determinacin del contenido de cenizas en bagazo y en residuos agrcolas de la cosecha en verde de la caa de azcar en Tucumn

    M. Gabriela Mistretta*, Gimena Zamora Rueda*, Florencia Peralta*, Cynthia Gutirrez***, M.

    Valeria Bravo****, Hector Zalazar***, Enrique A. Feijo****, Marcos A. Golato**, Dora Paz***** y Gernimo J. Crdenas*

    Introduccin

    El bagazo de la caa de azcar es un subproducto de su molienda y es el principal combustible de

    la industria azucarera, pero debido a ineficiencias en el proceso de fabricacin de azcar y a las

    constantes variaciones en el consumo de vapor de fbrica, es necesario utilizar combustibles

    adicionales como el gas natural y/o el fuel oil. Estos ltimos combustibles presentan en la

    actualidad el inconveniente de su falta de disponibilidad y elevado costo.

    Desde el ao 2005, la Estacin Experimental Agroindustrial Obispo Colombres (EEAOC) ha

    estado realizando estudios para el aprovechamiento energtico de los residuos agrcolas de la

    cosecha en verde de la caa de azcar (RAC), ya que por sus caractersticas fsico-qumicas y

    calorficas similares a las del bagazo constituyen un potencial biocombustible para operar los

    generadores de vapor en la produccin de energa trmica y mecnica en la industria azucarera

    (Paz et al., 2007; Aso et al., 2008; De Boeck et al., 2009 y Castagnaro et al., 2011). Con ellos,

    podran sustituirse los combustibles de fuentes no-renovables, como lo son los derivados del

    petrleo o el carbn.

    As mismo, el uso del RAC aparece como una importante alternativa para conformar sistemas de

    produccin ms limpios, que prescinden de la quema de este material vegetal, conservando el

    suelo y ofreciendo una posibilidad para la generacin de energa elctrica.

    En general, el uso de la biomasa de origen agroindustrial como recurso energtico ofrece variadas

    ventajas con respecto a las fuentes de energa convencionales. Tanto el bagazo como el RAC

    poseen caractersticas especficas que viabilizan su utilizacin como biocombustibles para la

    cogeneracin de energa (generacin simultnea de energa trmica y elctrica). No obstante, es

    necesario caracterizar los biocombustibles para analizar y predecir el comportamiento que podran

    tener en el interior del hogar de la caldera.

    Unos de los parmetros fundamentales a evaluar para garantizar una operacin eficiente y segura

    del combustible en el generador es su contenido de cenizas. Este parmetro se encuentra

    asociado a la formacin de aglomerados de ceniza que influyen negativamente en las grillas y

    generan depsitos de escoria en las diferentes partes internas del generador de vapor. Adems,

    altos contenidos de cenizas producen una acelerada corrosin y erosin de los tubos del lado de

    * Ing. Qco., ** Ing. Mco., ***Tco., ****Ing. Ind., *****Dra. Ing. Qco., Seccin Ingeniera y Proyectos Agroindustriales, EEAOC. e-mail: [email protected]

  • 2

    los gases y dificultan el intercambio de calor cuando se adhieren, en estado pastoso, a zonas del

    haz convectivo y de los sobrecalentadores de vapor. Desde el punto de vista ambiental, el

    conocimiento de este parmetro permite evaluar el impacto de su emisin cuando se encuentra en

    estado de aerosol con los gases efluentes por chimenea.

    Por otro lado, el contenido de cenizas de un combustible define la utilizacin, manejo y disposicin

    final de estos residuos en una planta industrial. En reglas generales, los problemas e impactos

    que tienen en el desempeo de una planta dependen de las caractersticas del combustible, entre

    las cuales el contenido de cenizas y su composicin qumica influyen directamente en el diseo y

    operacin de los equipos de combustin.

    El objetivo de este trabajo es mostrar los resultados de las determinaciones del contenido de

    cenizas en bagazo y RAC, realizadas con un moderno equipo termogravimtrico automatizado de

    ltima generacin, instalado en el Laboratorio de Ensayos y Mediciones Industriales (LEMI) de la

    Seccin de Ingeniera y Proyectos Agroindustriales de la EEAOC.

    Analizador termogravimtrico automatizado (TGA)

    El equipo analizador termogravimtrico automatizado se utiliza para determinar la composicin de

    materiales orgnicos, inorgnicos y sintticos, permitiendo determinar el contenido de humedad

    (%w), ceniza (%cz), slidos voltiles (%SV) y carbono fijo (%CF) de manera simultnea en una

    sola operacin y en hasta 19 muestras de diferentes biomasas.

    Los procedimientos tradicionales para la determinacin de estos parmetros presentan el

    inconveniente de basarse en ensayos de larga duracin, adems de que requieren un elevado

    nmero de tcnicos operarios. La situacin se hace aun ms compleja cuando hay un elevado

    nmero de muestras a procesar. Por otro lado, se necesita que los datos obtenidos sean

    confiables y trazables, por lo que resulta imprescindible contar con equipos certificados, tcnicas

    estandarizadas y personal calificado para el anlisis y el tratamiento de los materiales a ensayar.

    El equipo termogravimtrico automatizado, modelo TGA 701 de marca Leco, determina

    automticamente, por gravimetra registrada, la prdida de peso en funcin de la temperatura en

    una atmsfera de gases controlada. Las tcnicas utilizadas por este equipo cumplen con las

    normas ASTM -ASTM D 3174-02, 2002; ASTM D 514202a, 2003 y ASTM D7582, 2012 (ASTM

    International, 2002, 2003 y 2012) y se encuentran aprobadas por la AOAC International y la AACC

    International.

    El equipo analizador termogravimtrico automatizado posee controles operacionales que mejoran

    la exactitud de la temperatura de trabajo (hasta 1000C) y dispone de un montaje neumtico

    autoajustado del carrusel porta crisoles, que mejora la confiabilidad eliminando la oscilacin y

  • 3

    aumentando la exactitud de la posicin del carrusel, en funcin de la cantidad de crisoles o

    muestras a analizar.

    En la Figura 1, se puede observar el equipo analizador termogravimtrico instalado en el LEMI de

    la EEAOC. Este se encuentra compuesto bsicamente por:

    - Horno de calefaccin: utiliza resistencias elctricas para generar calor y su temperatura de

    trabajo se encuentra entre 100C y 1000C.

    - Carrusel porta crisoles: permite usar hasta 20 crisoles de 10ml c/u, de los cuales 19 son

    utilizados en los anlisis (el restante es el crisol de referencia).

    - Balanza de precisin: posee una precisin de 0,0001 g.

    - Termocupla control de hogar: sensor de temperatura para el control del horno de

    calefaccin.

    - Termocupla control de sobre temperaturas: sensor de temperatura para el control de las

    sobre temperaturas en el horno.

    - Lanzas de inyeccin: permiten la inyeccin de los gases en el interior del horno y se

    encuentran distribuidas convenientemente, con el fin de generar un ambiente inerte.

    - Regulador de flujo: representa una estacin de regulacin del flujo de gases hacia las

    lanzas de inyeccin.

    - Batera de tubos de gases especiales: se encuentra constituida por tres cilindros con una

    presin interior no menor a 35 psi (2,38 bar). Estos gases generan las atmsferas

    necesarias para las determinaciones en funcin de los parmetros a analizar. Los gases

    utilizados son: oxgeno de alta pureza (99,9%), nitrgeno (99,9%) y aire seco libre de

    aceite.

    En la Figura 2 se muestra un esquema de las principales partes constitutivas del equipo TGA701;

    se puede observar la distribucin general de estas en el interior del equipo.

    Figura 1. Equipo analizador termogravimtrico marca LECO, modelo TGA 701, instalado en el

    LEMI-EEAOC.

  • 4

    Funcionamiento del TGA

    El equipo analizador termogravimtrico realiza tareas automatizadas en funcin del programa

    cargado en el sistema de control de la unidad. El anlisis comienza cargando los crisoles con 0,5

    g a 5,0 g de muestras slidas o lquidas. La preparacin de estas es fundamental para alcanzar

    resultados representativos: por ejemplo, el tamao de partculas debe ser homogneo y no

    superior a 250 m en el caso de materiales slidos. Luego, se da inicio al anlisis y el equipo

    determina los parmetros %w, %cz, %SV y %CF por diferencia de pesadas en funcin de las

    temperaturas alcanzadas en cada caso. Los resultados de los anlisis pueden verse directamente

    en el monitor de la PC de control, as como tambin el trazado de la prdida de peso de la

    muestra en funcin de la temperatura y del tiempo. El sistema de control registra de manera

    continua la masa de las 19 muestras de manera simultnea, inmersas en la atmsfera controlada.

    Este equipo analizador se programa y se ajusta manualmente segn el tipo de biomasa a analizar;

    para ello se deben cargar las rampas de calentamiento del horno para los diferentes parmetros a

    analizar. Luego, en relacin a los pesos original y final de la muestra alcanzados hasta peso

    constante, el equipo determina automticamente la fraccin de peso de la humedad total, de las

    cenizas, de los slidos voltiles y del carbono fijo.

    En la Figura 3 se muestra una imagen de la pantalla de control del TGA 701, donde se observan

    los resultados promedio de los parmetros antes mencionados. Adems, se puede apreciar las

    curvas del porcentaje de la masa respecto a la inicial, la prdida de masa por efecto de la

    Figura 2. Esquema de funcionamiento del equipo termogravimtrico TGA 701 instalado en el

    LEMI-EEAOC.

  • 5

    evaporacin, volatilizacin y combustin (%/min) y la temperatura correspondiente (C), en funcin

    del tiempo.

    Es importante indicar que los procedimientos descriptos en las normas indicadas se refieren a

    carbn mineral. No obstante, estas tcnicas pueden ser modificadas convenientemente para que

    puedan ser utilizadas en el anlisis de cualquier tipo de biomasa o material combustible.

    Caracterizacin del bagazo y del RAC

    Para la caracterizacin del bagazo y del RAC, se procedi a ajustar las rampas de trabajo del

    equipo TGA 701, tomando como referencia los resultados del anlisis y evaluacin de los

    parmetros ensayados (%w, %cz, %SV y %CF), determinados con los procedimientos

    tradicionales realizados en mufla y estufa, segn normas ASTM D 3173, D 3174 y D 3175 y segn

    lo indicado por Nogues et al., 2010 y Barboza Cortez et al., 2008.

    Para la determinacin del contenido de ceniza en bagazo, se propuso la metodologa denominada

    bagazo-1, que realiza inicialmente un secado de las muestras a 105C y una posterior calcinacin

    a 750C hasta peso constante. Esta ltima operacin se realiz en una atmsfera de oxgeno

    controlada, con una velocidad de calentamiento de 6C/min.

    Para el anlisis del contenido de cenizas en las muestras de RAC, se propuso la metodologa

    RAC- modificado, segn la cual el secado de la muestra tambin se realiz a 105C y la

    calcinacin a 750C hasta peso constante, en una atmsfera controlada de oxgeno, pero a una

    velocidad de calentamiento de 3C/min.

    Paralelamente, las muestras de bagazo y RAC fueron procesadas siguiendo la metodologa

    tradicional, con secado previo en estufa elctrica marca ORL y circulacin forzada de aire a 105C.

    Posteriormente, se realiz la calcinacin de las muestras en un horno mufla marca ORL, a 550C

    Figura 3. Captura de pantalla del software de control del equipo TGA instalado en LEMI-EEAOC.

  • 6

    hasta peso constante y con una velocidad de calentamiento de 8C/min. Estos ensayos se

    realizaron por triplicado.

    La Tabla 1 compara los resultados del anlisis del contenido de cenizas en bagazo y RAC

    obtenidos con mufla y con el equipo TGA 701. Se puede observar el error relativo de los datos

    obtenidos con el equipo automatizado, frente al de los resultados logrados siguiendo la

    metodologa tradicional. Los errores relativos obtenidos coinciden con los observados por Paz et

    al., 2010.

    Mufla TGA 701 Mufla TGA Bagazo

    N Ceniza

    [%] Ceniza [%] Error rel. [%]

    RAC N

    Ceniza [%] Ceniza [%]

    Error rel. [%]

    1 17,53 17,40 0,77 1 9,40 9,52 1,28 2 3,67 3,65 0,65 2 8,85 8,95 1,13 3 3,85 3,81 0,96 3 10,58 10,68 0,95 4 4,35 4,31 0,85 4 20,69 20,80 0,53 5 4,61 4,57 0,90 5 17,69 17,45 1,36 6 4,75 4,79 0,80 6 22,09 21,83 1,18 7 12,12 12,23 0,92 7 14,00 14,20 1,43 8 4,83 4,87 0,80 8 9,19 9,08 1,20 9 3,41 3,38 0,85 9 14,29 14,48 1,33

    10 3,35 3,36 0,18 10 11,60 11,74 1,21 11 4,04 4,00 0,94 11 10,75 10,90 1,40 12 11,15 11,25 0,90 12 12,53 12,39 1,12 13 7,71 7,65 0,77 13 15,92 16,14 1,38 14 4,22 4,25 0,77 14 17,06 17,19 0,76 15 4,75 4,70 1,00 15 15,24 15,45 1,38 16 6,42 6,46 0,55 16 11,27 11,43 1,42 17 6,26 6,20 0,98 17 8,73 8,83 1,15 18 3,60 3,63 0,79 18 8,06 7,97 1,08 19 28,20 28,45 0,87 19 11,70 11,87 1,45 20 6,55 6,61 0,98 20 13,38 13,56 1,35

    En la Figura 4 se pueden observar las correspondientes curvas de ajuste o constatacin de los

    valores mostrados en Tabla 1. Se indica la lnea de tendencia obtenida y la ecuacin

    correspondiente con su coeficiente de determinacin lineal (R2).

    Tabla 1. Resultados de las determinaciones del contenido de cenizas de bagazo y RAC aplicando la tcnica tradicional de mufla frente a los resultados del anlisis realizado con el equipo TGA 701.

  • 7

    Consideraciones finales

    Analizando los resultados de la experiencia descripta en este trabajo, se puede indicar que los

    valores de los contenidos de cenizas en bagazo obtenidos con mufla y con el equipo automatizado

    TGA 701 resultaron valores prximos entre s, con errores relativos menores al 1%. Con respecto

    al RAC, los valores del contenido de cenizas determinados en mufla presentaron errores relativos

    inferiores al 1,5%, frente a los obtenidos con el TGA 701.

    Se puede concluir que las metodologas propuestas para la determinacin de los contenidos de

    cenizas en bagazo (mtodo bagazo-1) y RAC (mtodo RAC-modificado) son adecuadas, ya que

    logran errores relativos bajos en comparacin con las determinaciones tradicionales en mufla. Los

    resultados presentan iguales tendencias y valores prximos a las medias. El anlisis estadstico

    muestra que no existen diferencias significativas para los resultados del contenido de cenizas

    obtenidas por medio de las metodologas analizadas, las cuales resultan satisfactorias para los

    ensayos en estas biomasas.

    Figura 4: Curva de constatacin de la metodologa ensayada para la muestra de bagazo y RAC.

  • 8

    Bibliografa citada

    American Society for Testing and Materials (ASTM) International. 2002. ASTM D 3174-02.

    Standard test method for ash in the analysis sample of coal and coke from coal. ASTM

    International, West Conshohocken, USA.

    American Society for Testing and Materials (ASTM) International. 2012. ASTM D7582. Standard

    test methods for proximate analysis of coal and coke by macro thermogravimetric analysis.

    ASTM International, West Conshohocken, USA.

    American Society for Testing and Materials (ASTM) International. 2003. ASTM D 514202a.

    Standard test methods for proximate analysis of the analysis sample of coal and coke by

    instrumental procedures. ASTM International, West Conshohocken, USA.

    Aso, G.; E. A. Feijo; S. M. Sosa y D. Paz. 2008. Los residuos agrcolas de la cosecha en verde

    de la caa de azcar. Experiencias de secado natural en el campo. Avance Agroind. 29 (1):

    19-22.

    Barboza Cortez, L. A.; E. E. Silva Lora, y E. Olivares Gmez, 2008. Biomassa para energia.

    Editora da Unicamp, Universidad Estadual de Campinas, Campinas, Brasil.

    Castagnaro, A.; M. A. Golato; D. Paz y E. A. Feijo 2011. Caracterizacin energtica de biomasas

    residuales de origen agroindustrial de Tucumn. Avance Agroind. 32 (2): 33-37.

    De Boeck, G.; G. Aso; D. Paz y B. Camen 2009. Gasificacin: alternativa tecnolgica para la

    utilizacin de la biomasa como fuente energtica. Avance Agroind. 30 (1): 16-20.

    Nogues, F. S.; D. Garcia Galindo, y A. Rezeau. 2010. Energas renovables. Energa de la

    biomasa, vol. 1. Prensas Universitarias de Zaragoza, Zaragoza, Espaa.

    Paz, J. A.; E. Granada; A. Saavedra; P. Egua and J. Collazo 2010. Biomass thermogravimetric

    analysis: uncertainty determination methodology and sampling maps generation. MDPI. Int.

    J. Mol Sci. 11 (7): 27012714.

    Paz, D.; G. J. Cardenas y M. A. Almirn. 2007. Bioenerga: posibilidades de cogeneracin en la

    industria azucarera argentina. Avance Agroind. 28 (1): 12-16.