TECNOLOGIAS PREVENTIVAS.

CAMBIOS TECNOLOGICOS.

CAMBIOS EN EL PRODUCTO.

BUENAS PRACTICAS OPERATIVAS.

CAMBIOS TECNOLOGICOS.

1. FILTRACION CON MEMBRANAS.

La mayoría de las investigaciones y programas de desarrollo en la industria azucarera se han dirigido a los sistemas de purificación del jugo, los cuales harían posible la producción de azúcar blanco sin tener que fundir y recristalizar o sin el uso de químicos indeseables. Los sistemas de clarificación y filtración utilizados en la actualidad han evolucionado con el paso de los años, y si se desarrollan con caña fresca producen azúcares crudos de calidad satisfactoria para las refinerías. Con los sistemas modernos de sulfitación se producen azúcares con muy baja coloración, pero estos azúcares poseen cualidades indeseables para uso industrial (la presencia de sulfitos en estos azúcares impiden su utilización dentro de la industria alimenticia).

Los problemas que se presentan en los sistemas de purificación más complejos son el incremento de químicos utilizados y el aumento de la cantidad de material de desecho. Los sistemas modernos de membranas de filtración ofrecen la posibilidad de clarificar sin el uso excesivo de químicos.

Como sistema de purificación, las membranas de filtración se encuentran en la primera categoría ; se obtiene un pequeño incremento en la pureza pero los materiales removidos son aquellos que ocasionan la mayoría de problemas durante las etapas posteriores del proceso, tales como los compuestos de alto peso molecular, colorantes y polisacáridos.

El factor crítico en el desempeño de las membranas es la forma de mantener la superficie de la membrana limpia. Esto se logra con el paso a grandes velocidades del material a filtrar a través de la membrana.

Las membranas de filtración son comunes en la producción de vino, jugos de frutas, cerveza y productos lácteos. Dependiendo del tipo de membrana utilizado se pueden obtener diferentes mejoras en la calidad de los productos (color, claridad y preservación).

La preservación de los productos es un aspecto muy importante, más aún cuando se trata de alimentos ; ésta se puede obtener con membranas sin necesidad de calentar. El producto de la filtración se vende sin otro tratamiento posterior que el de la carbonatación.

La filtración con membranas del jugo clarificado está siendo estudiada, y aunque el volumen de residuos sería bajo, estos contendrían materiales de desecho menos deseables y más difíciles de manejar (coloides y polisacáridos). Entre las mejoras que se pueden prever figuran la obtención de azúcar de mejor calidad, reducción de la pureza de la miel final y la disminución de los problemas de incrustación en los evaporadores.

Producción de azúcar SVLC : Generalmente, la producción de azúcar refinada involucra la producción de azúcar crudo en el ingenio, y luego la refinación del azúcar crudo en la refinería.

La calidad final del azúcar depende de que tan bien se clarifique el jugo y no solamente del color del jarabe   o de la masa cocida, sino también del tipo de no azúcares presentes en el jarabe y, del

tipo y cantidad de macromoléculas presentes. Estas macromoléculas producen diferentes productos de degradación y color durante la concentración del jugo y en las etapas de cristalización.

Con base en estas investigaciones, Applexion diseñó un proceso que hace posible la producción en el ingenio de azúcar de alta calidad con muy bajo color que no contiene sulfitos, el cual se puede denominar SVLC (muy bajo color). En la Figura se puede observar el diagrama de flujo para la producción de azúcar SVLC.

A partir de este SVLC se puede producir azúcar refinada, partiendo de su fundición, se decoloriza mediante un proceso de intercambio iónico y su cristalización en una o dos etapas. Parte de la corrida se recircula antes del proceso de decoloración y la otra parte durante cristalización del azúcar A en el ingenio.

El principio para la producción del SVLC es el tratamiento de los jugos clarificados en membranas de ultrafiltración, que permiten la eliminación casi completa de la turbidez y de las macromoléculas (ceras, dextranas y gomas) que contiene el jugo de la caña. Después de la ultrafiltración, la turbidez del jugo es de 0,1 a 0,5 NTU/Brix.

La filtración tangencial con membranas produce un filtrado de alta calidad sin las desventajas del proceso convencional de filtración : Periodos cortos de operación debido a la formación de tortas y la necesidad de utilizar compuestos que faciliten la operación.

Una vez el jugo se ha filtrado muy bien, se puede descalcificar en una unidad de intercambio iónico. Por este proceso, se remueven el calcio y el magnesio que son los causantes de las incrustaciones en los evaporadores.

La eliminación de las incrustaciones reduce el consumo de energía ya que se mantienen por más tiempo los coeficientes de transferencia de calor en los equipos ; la regeneración de la planta de ablandamiento del jugo se efectúa con melazas B o melazas C. Esta etapa no es obligatoria para la aplicación del nuevo proceso.

Desde el punto de vista ambiental la principal ventaja de la tecnología Applexion es la producción de azúcares de bajo color y alta calidad sin la necesidad de sulfitar los jugos de caña, lo cual permite su utilización dentro de la industria alimenticia. Esto quiere decir que se evita el consumo de 1,8 kg de azufre por tonelada de azúcar producida y la emisión a la atmósfera de 1,8 kg de SO2 por tonelada de azúcar.

Los consumos de agua y energía se deben evaluar cuidadosamente ya que ésta tecnología requiere la adición de nuevas etapas y la supresión de otras dentro del proceso de producción de azúcar.

Producción de azúcar SVLC.

Producción de azúcar refinada : La principal innovación del proceso Applexion es la producción de azúcar refinada directamente en el ingenio ; en la Figura se muestra el diagrama de flujo para la producción de azúcar refinada.

De hecho, el SVLC es la mejor materia prima para la producción de azúcar refinada ; este azúcar es libre de turbidez, bajo en color, y como está libre de macromoléculas se puede procesar sin necesidad de clarificación primaria.

El SVLC se decolora utilizando una planta de intercambio iónico, la remoción de color es cercana al 80 %. Si se procesa azúcar SVLC con 300 Icumsa de color, se puede obtener azúcar con 60 Icumsa de color, el cual es un azúcar refinado de alta calidad.

Después de la decoloración, el líquido se cristaliza en un tanque batch (por cochadas) de acuerdo a su pureza ; el agotamiento de la masa cocida se realiza en un cristalizador de vacío que alcanza entre el 65 y 70 % de rendimiento de cristales de azúcar.

Utilizando un cristalizador de vacío se obtiene un mayor rendimiento de azúcar y el proceso de refinación se puede desarrollar en una sola etapa ; de ser necesario, se realiza una segunda etapa.

Las características de los no-azúcares convencionales presentes en el jarabe hacen que el rendimiento de la primera etapa de extracción de azúcar de la masa cocida sea del 57 % ; esto produce un aumento de la recirculación y un impacto negativo sobre los costos de producción debido a la cantidad de masa cocida que se debe procesar y al consumo de energía.

Producción de azúcar refinada.

En la Tabla se presentan algunas características de los azúcares obtenidos utilizando el proceso Applexion.

Características de los azúcares producidos.

ProductoColor

(Icumsa)Turbidez

(NTU/Brix)Pureza Ca y Mg (ppm)

Jugo no clarificado 11.000      Jugo clarificado 12.000 10 - 30 88,0  Jugo ultrafiltrado 7.000 0,1 - 0,5 89,0 1.500 - 2.000

Jugo descalcificado 7.000 0,1 - 0,5 89,0 150 - 200

Azúcar SVLC 200 - 400   99,7  Decolorado 40 - 80   99,7  

Azúcar refinada 20 - 30   100,0  

FUENTE : Daniel Hervé.

Producción de azúcar líquido industrial   : Utilizando el proceso Applexion es posible producir azúcar líquido en el ingenio a partir de un proceso muy sencillo, una vez el jugo ha sido ultrafiltrado y descalcificado. Se pueden obtener varios tipos de azúcares líquidos :

Jarabe de sacarosa.

Jarabe medianamente invertido.

Jarabe invertido.

Entre las ventajas de la producción de azúcar líquido figuran :

La disminución del consumo de energía debido a que el azúcar no se cristaliza. Se pueden ahorrar 1.860 lb de vapor por tonelada de azúcar, que equivalen a 1.857 MJ por tonelada de azúcar y que representan un ahorro de 930 lb de bagazo por tonelada de azúcar (0,42 t de bagazo/t de azúcar).

El azúcar líquido se puede utilizar directamente en los procesos de fabricación de alimentos disminuyendo el consumo de agua y de energía en éstas industrias.

2. METODOS MODERNOS PARA COMBUSTION DEL AZUFRE.

El incremento de la demanda de azúcares crudos de coloración baja por parte de las refinerías (lo cual reduce los costos de operación y los consumos de energía) y de los consumidores informales (público en general), ha hecho que las fábricas de azúcar orienten sus esfuerzos hacia la producción de azúcares más blancos.

Tradicionalmente la sulfitación de los jugos de caña ha sido considerada como un método extremadamente efectivo para remover el color. La presencia del dióxido de azufre evita la formación de complejos colorantes en las etapas de calentamiento, clarificación y evaporación.

Una combustión eficiente del azufre es esencial en la producción de dióxido de azufre. Teóricamente, se produce un volumen de SO2 por cada volumen de oxígeno, por tal razón no es posible exceder el 21 % de dióxido de azufre, volumen por volumen por quemarlo al aire.

Los métodos convencionales para quemar azufre en los ingenios (hornos de cubetas) son intermitentes en su operación y pueden causar problemas de sublimación de azufre. La mayoría de las unidades tradicionales son capaces de producir un volumen de dióxido de azufre sobre el 14 % (volumen por volumen), pero con cantidades apreciables de trióxido de azufre en equilibrio con el SO2. Bajo estas condiciones, la concentración de SO3 es más de seis veces mayor que un gas a 20 % de SO2. La formación de cantidades pequeñas de trióxido está relacionada con temperaturas del horno de combustión del orden de 1.000 a 1.300°C.

En la industria azucarera, la quema del azufre se realiza a temperaturas mucho más bajas en las que no es posible lograr concentraciones altas de dióxido de azufre. El trióxido de azufre en presencia de humedad produce vapores de ácido sulfúrico altamente corrosivo ; para evitar los problemas de corrosión se construyen los sistemas de combustión del azufre con paredes de aceros de hasta una pulgada de espesor, lo cual incrementa los costos de los equipos.

Por esta razón se han diseñado quemadores más eficientes tales como los quemadores en rocío, en donde los medios de combustión son atomizados en forma de finas gotas.

La firma AB Celleco (Suecia) ha desarrollado el Quemador de Azufre SBM-250 ; en el que la combustión se produce mediante la acción turbulenta de la mezcla tangencial de azufre derretido atomizado con aire de combustión. La unidad tiene una capacidad de combustión desde 250 kg/día hasta 5 t/día, por lo que puede adaptarse fácilmente a fábricas de azúcar de diferentes tamaños. Este equipo produce volúmenes de dióxido de azufre entre 19 y 20 %, con concentraciones bajas de trióxido de azufre en equilibrio con el SO2.

En la Tabla se presenta una comparación entre los datos calculados en el módulo correspondiente al Análisis Ambiental para la combustión de azufre (10 % de SO2 en volumen) y los datos calculados para este tipo de quemadores (20 % de SO2 en volumen en los gases de combustión) ; se observa una notable disminución en la cantidad de aire necesario para la combustión.

Combustión del azufre.

Parámetro 10 % de SO2 20 % de SO2

Azufre (g) 1.000,00 1.000,00Oxígeno teórico (g) 1.000,00 1.000,00

Nitrógeno teórico (g) 3.291,67 3.291,67Aire teórico (g) 4.291,67 4.291,67

SO2 producido (g) 2.000,00 2.000,00Gases de combustión (mol) 312,50 156,25

Oxígeno en exceso (g) 1.889,92 840,00Nitrógeno en exceso (g) 6.221,33 2.765,00

Aire en los gases (g) 8.111,25 3.605,00Oxígeno total (g) 2.889,92 1.840,00Nitrógeno total (g) 9.513,00 6.056,67

Aire total necesario (g) 12.402,92 7.896,67

FUENTE : Cálculos Convenio UIS - IDEAM.

3. SECADO DE BAGAZO.

El secado de bagazo se ha convertido en una alternativa llamativa para los ingenios que pretenden incrementar la capacidad de generación de vapor, disminuir las pérdidas de energía en los gases de chimenea, reducir el consumo de combustible y producir un excedente de bagazo.

Cuando el bagazo de la caña abandona los molinos tiene una humedad cercana al 50 %, con sus componentes distribuidos de acuerdo a los datos presentados en la Tabla. En dicha tabla se muestran las modificaciones en la composición del bagazo cuando se reduce la humedad hasta el 35 %.

Composición del bagazo húmedo y seco.

Componente Bagazo húmedo Bagazo secoHumedad 50 % 35 %

Azúcar 2 % 2,6 %Impurezas 2 % 2,6 %

Fibra 46 % 59,8 %N.C.V. 1.800 KCal/kg. 2.525 KCal/kg.

FUENTE : GEPLACEA. N.C.V. : Valor calorífico neto.

El secado de bagazo presenta múltiples ventajas (se enuncian más adelante) y varios inconvenientes, entre los que figuran : Altos costos iniciales de inversión, dificultades para futuras expansiones, grandes requerimientos de espacio, elevados consumos de energía por kilogramo de bagazo seco y generalmente, la necesidad de sistemas auxiliares para el transporte del bagazo.

Clases de secadores : A continuación se describen brevemente las diferentes clases de secadores de bagazo utilizados en la industria azucarera.

Secadores rotatorios : Operan bajo el principio de una corriente de gases calientes paralela al bagazo a secarse, distribuida en uno o varios pasajes dentro de un cilindro. El bagazo seco se separa de los gases húmedos en un ciclón. Ocupan áreas grandes, requieren sistemas auxiliares de transporte para el bagazo y operan a baja eficiencia.

Se encuentran en operación en Estados Unidos y Filipinas, siendo los principales fabricantes Stears-Roger, Rader Thompson Rotary Dryers y MEC Company.

Secadores de bagazo en suspensión mediante columnas de secado : También se conocen con el nombre de secadores flash o de arrastre neumático. Estos sistemas presentan mayor eficiencia debido a la introducción de columnas de secado donde el bagazo se mantiene en suspensión empleando los gases calientes. Una vez seco, el bagazo se separa de los gases húmedos con la ayuda de uno o dos ciclones. También requieren equipos auxiliares para el transporte del bagazo ; en laFigura se muestra un secador de bagazo de transporte neumático.

Existen secadores de este tipo instalados en Venezuela, Madagascar, Filipinas, Sur Africa y Brasil ; entre los principales fabricantes figuran : SPM Power Corporation (Suiza), Fred Hausmann (Suiza), COPERSUCAR (Brasil) y C.B. Serv (Brasil).

Secadores individuales de bagazo : En este sistema, el bagazo se trata luego del tándem de molinos de manera individual para cada horno.

Los gases calientes se succionan antes o después del precalentador por medio de ventiladores y se conducen hasta la pared anterior de la caldera por medio de un ducto (aéreo o subterráneo). El bagazo se recibe en un alimentador que bloquea la entrada de aire y en vez de enviarlo al dispersor lo dirige a la cámara de mezcla donde entra en contacto con los gases calientes. Un ventilador auxiliar succiona el bagazo en suspensión y lo transporta a lo largo de las columnas de secado hasta el ciclón, donde se separa el bagazo seco de los gases húmedos.

Secador de bagazo de transporte neumático.

Las principales ventajas que se pueden obtener por el uso de un secador individual de bagazo son :

Incremento del Poder Calorífico Superior (PCS) e Inferior (PCI) del bagazo.

Disminución del exceso de aire requerido para la combustión. El exceso de aire requerido para la combustión del bagazo húmedo es del 50 al 60 %, mientras que para el bagazo seco es del 20 %.

Incremento en la temperatura de los hornos entre un 20 % a un 30 %. Los resultados se pueden observar en la Tabla.

Incremento en la temperatura de los hornos.

Humedad m = 1,5 m = 1,3 m = 1,2

W = 50 % 1.040 °C 1.120 °C  W = 40 % 1.165 °C 1.254 °C 1.300 °CW = 35 % 1.210 °C 1.280 °C 1.350 °C

FUENTE : Luiz Ernesto Correia M. m : Exceso de aire

Posibilidad de realizar la combustión del bagazo en suspensión (humedad 35 %).

Incremento de la velocidad de combustión y de la absorción de calor por las paredes de agua de las calderas, elevando la cantidad de calor transferido para la generación de vapor.

Disminución de las pérdidas de calor en los gases de escape, debido a la reducción del exceso de aire empleado para la combustión.

Reducción del calor específico de los gases como consecuencia de la reducción de la humedad del bagazo.

Aumento de la eficiencia de combustión. Reducción de las pérdidas por combustión incompleta debido a que el bagazo secado se quema casi sin dejar residuos, y a la recuperación del 50 % del hollín producido en los ciclones del secador.

Disminución de la contaminación como consecuencia del menor volumen de gases y la reducción de hollín. Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla.

Volumen de gases producidos (m3/kg de bagazo).

HumedadPeso de bagazo

t = 220°C

m = 1,5

t = 220°C

m = 1,3

t = 220°C

m = 1,2

W = 50 % 1 7,75 6,95  W = 40 % 1 8,87 7,89 7,41

  0,833 7,39 6,57 6,17

W = 35 % 1 9,41 8,36 7,84

  0,77 7,24 6,44 6,04

FUENTE : Luiz Ernesto Correia M.

Incremento en la cantidad de calor transferido al vapor, por kilogramo de bagazo quemado, los datos se presentan en la Tabla.

Incremento en la cantidad de calor transferido al vapor (KCal/kg.)

HumedadPeso de bagazo

t = 220°C

m = 1,5

t = 150°C

m = 1,3

t = 140°C

m = 1,2

W = 50 % 1 1.274,5    W = 40 % 1 1.743,0 1.872,0 1.896,3

  0,833 1.395,0 1.524,3 1.548,6

W = 35 % 1 1.946,8 2.085,4 2.111,6

  0,77 1.416,6 1.555,0 1.581,4

FUENTE : GEPLACEA.

Durante la operación del secador, se observa un incremento en la diferencia de temperaturas entre los hornos y la chimenea correspondiente. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla.

Diferencia de temperaturas entre hornos y chimeneas.

Calderas con secadores

Superficie de calentamiento

Incremento T. del horno

Disminución T. chimenea

Diferencia total de T.

Con calentador de aire

1.500 m2 150°C 78°C 228°C

Sin calentador de aire

800 m2 230°C 66°C 296°C

FUENTE : GEPLACEA.

La producción promedio de bagazo en un ingenio es de 2,6 t de bagazo/t de azúcar, el consumo es de 2,4 t de bagazo/t de azúcar ; en la  tabla  se observa como el bagazo con un contenido de humedad del 35 % presenta un mayor poder calorífico, lo cual representa una disminución del consumo de combustible de 2,4 t de bagazo a 1,73 t de bagazo/t de azúcar. Esta reducción en el consumo de combustible produce un excedente adicional de 0,67 t de bagazo/t de azúcar que puede ser utilizado con otros propósitos. La reducción del combustible quemado ocasiona una disminución de los contaminantes emitidos a la atmósfera. En la Tabla se presentan las emisiones calculadas teniendo en cuenta el consumo de bagazo.

Factores de emisión sin control.

Contaminante

2,4 t bagazo/t azúcar

(kg/t de azúcar)

1,73 t bagazo/t azúcar

(kg/t de azúcar)Material particulado 17,02 12,27

CO2 1.701,82 1.226,73NOx 1,31 0,94

Materia orgánica policíclica 0,0011 0,0008

FUENTE : Cálculos Convenio UIS - IDEAM.

4. MEJORAS EN LAS CALDERAS.

Antiguamente las calderas para la generación del vapor estaban diseñadas con el propósito de quemar todo el bagazo producido en las fábricas, y de esta forma evitar el problema de la disposición de un residuo sólido como el bagazo. Con el desarrollo de la tecnología, la diversificación del mercado y la creación de nuevas industrias, el bagazo pasó de ser un residuo sólido a ser materia prima para industrias como la del papel y los aglomerados.

En la actualidad, la producción de excedentes de bagazo con el propósito de abastecer otras industrias, la necesidad de ahorrar energía y la posibilidad de generar suficiente energía como para producir un excedente que se pueda vender han impulsado a los ingenios a mejorar la eficiencia de la combustión del bagazo en las calderas.

La cantidad de contaminantes emitidos a la atmósfera durante el proceso de combustión del bagazo depende principalmente de las características del combustible, del tipo de quemador y del tipo de parrilla. Esto quiere decir que cualquier mejora que se implemente al respecto puede disminuir la emisión de contaminantes a la atmósfera.

Algunos de los factores que determinan la eficiencia global de una caldera son : La temperatura del flujo de gases a la chimenea, el nivel de exceso de aire, la humedad del bagazo, la composición de los gases de chimenea, las pérdidas por radiación y el porcentaje de inquemados en el combustible.

Basados en la posibilidad que brinda el secado de bagazo de realizar la combustión de la biomasa en suspensión, se desarrolló una nueva tecnología para la quema de bagazo en los hornos de las calderas.

Tecnología avanzada de combustión : Esta tecnología desarrollada para aumentar la capacidad de las calderas de bagazo de quema en suspensión se basa en el concepto del quemador de vórtice combinado con el secado neumático a altas temperaturas.

El quemador de vórtice representa un avance significativo en la combustión de biomasa, ya que incorpora muchos aspectos que no habían sido tenidos en cuenta para el diseño de otros quemadores como son :

Combustión directa del combustible sin pulverización.

Estabilidad de llama para combustibles con humedades altas (> 25 %) sin necesidad de combustibles auxiliares de soporte.

Geometría simplificada del quemador.

El sistema de combustión con quemador de vórtice (SBCS) esta compuesto por varios subsistemas, a continuación se describe brevemente su funcionamiento ; en la Figura se observa el diagrama del sistema.

Sistema de combustión con quemador de vórtice.

El gas a alta temperatura se extrae por un ducto en una de las paredes cerca al tope de la cámara del horno, inmediatamente se mezcla con aire del ambiente, con lo cual se controla la temperatura a la entrada del secador para regular la generación de monóxido de carbono y asegurar una velocidad adecuada para transportar el bagazo en las columnas del secador. A la salida del secador, la temperatura de los gases disminuye a 160°C y la humedad del bagazo a 12 %, el bagazo seco se separa en el ciclón y los gases se descargan directamente a la chimenea. Es muy importante tener en cuenta que los ciclones no presentan eficiencias del 100 %, lo que nos indica que se pueden producir pérdidas de bagazo seco.

El bagazo seco se alimenta al sistema de transporte primario por medio de un alimentador especialmente diseñado, se transporta neumáticamente hasta el quemador de vórtice localizado sobre una de las paredes del horno, opuesta al ducto para la toma de los gases del secador. El sistema de tiro forzado proporciona el aire secundario y terciario para la operación del quemador.

El quemador de vórtice crea una llama estable y bajo control que produce gases de alta temperatura y quema de bagazo eficiente. El aire necesario para la combustión completa es suministrado a través del quemador.

Características de operación

El quemador de vórtice genera una llama estable de alta intensidad que quema la mayoría del bagazo que entra. Solamente las partículas más grandes de bagazo salen de la zona cercana a la llama y se mueven dentro del espacio libre del horno.

Deposición en la parrilla : La deposición de bagazo no quemado sobre la parrilla es mínima, las partículas que caen a la parrilla se queman rápidamente y forman una capa delgada de bagazo uniformemente quemado. La temperatura de las barras de la parrilla permanece por debajo de 250°C.

Estabilidad del quemador

La humedad del bagazo se mantiene aproximadamente al 12 %, bajo estas condiciones la estabilidad de la llama es excelente ; la carga mínima del quemador sin necesitar combustibles de soporte es el 20 % de la capacidad de diseño, la máxima estabilidad de la llama se puede mantener para bagazo con una humedad del 28 %, el límite es 32 %.

El sistema SBCS produce un aumento en la generación de vapor del 60 % sobre la cantidad de vapor que produciría con bagazo normal.

Cambios en el bagazo

El sistema SBCS no se ve afectado si se suministra bagazo más húmedo a la estación de calderas ya que el secador mantiene el suministro de bagazo seco al quemador, esta es una de las mayores ventajas del sistema.

Los sistemas de esparcidores existentes en la mayoría de las calderas pueden sufrir daños y disminuir la presión del vapor debido a la humedad del bagazo.

Secado de bagazo

El secado de bagazo se puede efectuar con gases a altas o bajas temperaturas ; la principal ventaja del secado a baja temperatura es el aumento de la eficiencia de la caldera, utilizando gases a baja temperatura el bagazo sólo se puede secar hasta una humedad del 35 %.

La selección de la temperatura de secado depende del diseño de la caldera, de los requerimientos de eficiencia y del aumento en la capacidad de generación de vapor.

Factores de diseño de la caldera

La reducción de la humedad del bagazo aumenta la capacidad de generación de vapor de la caldera, el cual depende de el diseño específico de la misma. Antes de decidirse por la instalación de un quemador de vórtice en una determinada caldera, es necesario evaluar y revisar el diseño de la caldera para estar seguros de que los parámetros y límites de diseño no se excederán, y en consecuencia, no se disminuirá la seguridad de la caldera.

Entre las limitaciones que se deben tener en cuenta cuando se desea incrementar la capacidad de generación de vapor de una caldera figuran : La temperatura de salida de los gases del horno, limitada por las características de formación de escoria de la ceniza del bagazo ; la velocidad promedio del gas en el banco de tubos que no puede pasar de 15 m/s en los diseños con baffles (la velocidad del gas en el banco de tubos es independiente de la técnica de combustión) ; el tiempo mínimo de residencia en el horno para una quema aceptable del bagazo ; la capacidad de separación de vapor, la circulación del agua en las paredes del horno ; la capacidad de los ventiladores de tiro forzado e inducido y la capacidad del colector de partículas.

En la Tabla se comparan las cifras calculadas para la transferencia de calor y la absorción de calor en dos calderas que funcionan en Australia, cuando se quema bagazo húmedo y seco.

Transferencia de calor calculada para la combustión de bagazo húmedo y seco.

  Caldera A Caldera B

Parámetro 50 % MC 12,5 % MC 50 % MC12,5 %

MC

Flujo de vapor (t/h) 44,3 84,9 213,0 325,4

Absorción de calor (MW)        Horno 10,576 20,763 60,749 103,586

Pantallas 0,419 0,941 2,504 3,763

Cavidad 2,208 4,908 6,915 8,869

Banco convectivo 16,006 22,041 50,313 65,711

Supercalentador     29,052 47,797

Economizador   7,383 12,876 15,857

Calentador de aire     16,453 22,710

Velocidad promedio del gas (m/s) 12,0 15,3 13,5 16,2

Temperatura de salida horno (°C) 930 1.215 965 1.225

Temperatura de salida del flujo de gases (°C)

332 1391 252 265

FUENTE : T. F. Dixon, B. P. Edwards (Sugar Research Institute).

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CAMBIOS EN EL PRODUCTO.

1. UTILIZACION DEL BAGAZO.

El bagazo es el residuo fibroso que se obtiene en los molinos durante el proceso de extracción del jugo para la elaboración del azúcar. En comparación con otros residuos vegetales, el bagazo reúne una serie de cualidades que lo ubican como el residuo con más posibilidades de industrialización, ya que se encuentra disponible en grandes cantidades, existe experiencia en su manipulación, almacenamiento, transporte y además se utiliza como materia prima en otros procesos industriales.

Químicamente, el bagazo está compuesto por celulosa, hemicelulosa y lignina ; morfológicamente, consta de 60 % de fibras, 30 % de parénquima o médula y un 10% de finos y solubles. El uso tradicional del bagazo ha sido como combustible para las calderas de la industria azucarera.

El aumento de los precios del petróleo, los controles y regulaciones ambientales cada vez más estrictos y el desarrollo de una nueva industria, la de los derivados del bagazo de la caña de azúcar, han hecho que los ingenios azucareros dirijan su atención al aprovechamiento integral del potencial energético y económico de este residuo vegetal, con el fin de atacar el problema de la contaminación atmosférica que se presenta por la quema del bagazo en las calderas para la generación del vapor, evitando de esta manera sanciones y costosas multas ; y además, recibir algún beneficio económico producto de la venta del bagazo sobrante a otras industrias.

Las principales alternativas para la industrialización del bagazo de la caña son : Obtención de pulpa y papel (Propal S.A.), productos aglomerados (planta de producción de tableros del Ingenio Pichichí) y pulpa para disolver.

Pulpa y papel : El papel es un elemento imprescindible en la vida moderna. El establecimiento de la industria del papel se ha convertido en un elemento básico en los programas de muchos países, debido a los problemas que se presentan hoy en día con el suministro de la materia prima (pulpa de madera) originados por la explotación inadecuada de los recursos forestales, y el auge de actividades ilícitas (cultivos de cocaína, marihuana, amapola). Por esta razón, la utilización industrial del bagazo como materia prima para la industria de la pulpa y el papel ha tenido un éxito rotundo. En la Figura se muestran los productos que se pueden obtener a partir del bagazo en la industria de la pulpa y el papel.

Existen en el mundo más de 27 países que utilizan el bagazo para la producción de pulpas y papeles, en su mayoría ubicadas en Asia y América Latina. Se destacan en Latinoamérica las producciones de México, Perú, Argentina, Cuba, Brasil y Colombia.

Pulpa y papel a partir de bagazo.

Productos aglomerados : Se definen como paneles de gran superficie que se logran por la unión íntima de partículas de materiales lignocelulósicos (astillas, virutas de madera, bagazo y otros). En la Figura se muestran los diferentes productos obtenidos a partir del bagazo en la industria de los productos aglomerados.

A partir del bagazo se pueden producir tableros de partículas, de fibras, moldeados y tableros de bagazo cemento.

Derivados aglomerados a partir del bagazo.

Tableros de partículas : Son aquellos en que el material lignocelulósico previamente preparado mediante las operaciones de molienda, clasificación, secado, etc., toman la forma de panel con el empleo de aglutinantes orgánicos que solidifican bajo la acción de temperatura y presión.

Las aplicaciones fundamentales de estos productos se encuentran en muebles de cocina, armarios, escritorios y, en general, muebles para el hogar. Los paneles de bagazo tienen gran área, favorecen la fabricación de muebles modulares, los cuales ofrecen soluciones masivas de alta productividad y bajo costo.

En América Latina la producción de tableros a partir del bagazo se concentra principalmente en Cuba donde existen ocho fábricas de aglomerados.

Tableros de fibras : Para su obtención se somete el material lignocelulósico a procesos que tienen como fin activar las características autoaglutinantes de las fibras que adquieren la forma final del producto por la acción de temperatura y presión. Se pueden adicionar pequeñas cantidades de aglutinantes orgánicos para mejorar sus características.

Según su densidad los tableros de fibras pueden ser extraporosos, aislantes, semiduros, duros y extraduros. Su uso principal es en la industria de la construcción (paneles divisorios, puertas, aislamiento térmico o acústico, y otros usos decorativos) y también en la industria del mueble (gabinetes, gavetas y otros componentes para muebles).

Pulpa para disolver y derivados : La industria de la pulpa para disolver a partir de maderas coníferas y maderas duras se ha establecido de manera importante en Estados Unidos, Polonia, Japón, Italia y otros. En la Figura se muestran los productos obtenidos a partir del bagazo en la industria de la pulpa para disolver.

Existe producción semi-industrial de pulpa para disolver a partir del bagazo en países como China y Cuba. Este producto se utiliza en la producción de fibrana, hilaza textil, carboximetil celulosa, celofán y otros.

Pulpa para disolver y derivados.

2. UTILIZACION DEL MEOLLO.

Para la producción de pulpa, papel y tableros es necesario separar la fracción no deseada del bagazo, la cual se debe desechar ; esta operación se conoce con el nombre de desmeollamiento.

Este residuo de la industrialización del bagazo no ha sido estudiado adecuadamente, se considera un desecho y su eliminación es un problema para muchas industrias. El grado de separación del meollo y la fibra, el lugar y método empleado, determinan la economía de la operación, así como la cantidad y las características del residuo.

Debido a su valor calórico, similar al del bagazo, el meollo se puede utilizar para la generación de vapor y electricidad (se debe inyectar otro combustible para mantener la estabilidad de la caldera), para alimentación animal, como materia prima en la producción de furfural y miel hidrolítica, como acondicionador de suelos y portador de pesticidas y herbicidas. En la Figura se muestran los productos que se pueden obtener a partir del meollo.

El meollo mezclado con miel se ha utilizado tradicionalmente como alimento para animales en diversas formas, siendo las más importantes las mezclas de miel urea bagacillo y el bagacillo predigerido.

Bagacillo predigerido : Se obtiene tratando el meollo con hidróxido de sodio (NaOH) y temperaturas moderadas, con el propósito de aumentar su digestibilidad, después se le adiciona urea y miel final.

Se utiliza para la alimentación de rumiantes, que son los únicos animales capaces de convertir la celulosa en elementos energéticos para la producción de leche.

Furfural y derivados : El furfural es un producto que se obtiene únicamente mediante la hidrólisis de residuos agrícolas y forestales ; se utiliza como materia prima para la producción de alcohol furfurílico, alcohol tetrahidrofurfurílico, tetra hidrofurano y otros derivados ; se emplea como solvente selectivo en la producción de masillas anticorrosivas, herbicidas, fungicidas, hormigones plásticos, fármacos, nylon 66 y otros.

Los países industrializados (principalmente la Comunidad Económica Europea ) consumen la mayor parte de la producción mundial del furfural.

Productos a partir del meollo.

3. UTILIZACION DE LAS MIELES.

La miel es un líquido denso y viscoso que se separa de la masa cocida cuando no es posible cristalizar más azúcar. Los principales consumidores de mieles son los países de la Comunidad Europea, Estados Unidos y Japón.

Tradicionalmente se han utilizado las mieles para la alimentación animal ; a nivel industrial el principal uso es para la producción de alcohol. Además, se pueden obtener otros productos como lisina, levaduras, ácido cítrico, glutamato monosódico y otros. En la Figura se muestran los productos que se pueden obtener a partir de las mieles.

Levaduras : La industria de las levaduras es muy antigua, su tecnología es ampliamente conocida alrededor del mundo, las más conocidas son la saccharomyces y la torula.

La levadura saccharomyces (levadura panadera), se produce en casi todos los países, pues su presencia es indispensable para la producción del pan. La levadura que se recupera en la producción de alcohol se emplea para la alimentación animal.

La levadura torula es de gran importancia en los países en desarrollo que procesan caña de azúcar, es una fuente de proteínas y vitaminas y se utiliza en la formulación de piensos destinados a la alimentación animal.

La producción de levaduras no presenta dificultades tecnológicas, se utilizan los equipos tradicionales de la industria fermentativa (fermentadores, agitadores, bombas y tanques).

Derivados químicos : El atractivo de usar el azúcar y la miel final como materias primas para la producción de derivados químicos de gran valor radica en su solubilidad y disponibilidad. Los productos se pueden obtener fácilmente mediante procesos sencillos de fermentación o reacciones químicas simples ; las plantas para la producción de derivados se pueden integrar con las operaciones de los ingenios para disminuir los costos del transporte y la energía.

Lisina : Es un aminoácido esencial que se utiliza como aditivo para la alimentación animal ; se encuentra en la harina de pescado y en las tortas de soja.

La producción de lisina a partir de la miel de caña está localizada principalmente en Japón y México ; la tecnología se encuentra disponible en el comercio.

Acido cítrico : Se obtiene por fermentación de las mieles ; se emplea como acidulante, para realzar el sabor en productos alimenticios y bebidas, también como agente de conservación.

Productos a partir de la miel.

La producción de ácido cítrico ha sido ampliamente estudiada y está lista para su comercialización ; se basa en la fermentación del azúcar presente en la miel final poraspergillus niger.

Glutamato monosódico : Es uno de los saborizantes más conocidos en la industria alimenticia, su presentación final es en forma de polvo blanco cristalino ; se produce esencialmente por la vía fermentativa. El principal productor es Japón.

Dextrana : Es un polímero de glucosa de elevado peso molecular que se obtiene mediante la fermentación de sacarosa, meladura o mieles.

La dextrana técnica posee propiedades similares a las de los derivados de la celulosa (carboximetil celulosa y productos de almidón). La dextrana clínica, que se obtiene a partir de la dextrana técnica se produce en muchos países para su consumo interno, su principal uso es como sustituto del plasma sanguíneo.

Acido oxálico : La producción de ácido oxálico se basa en la oxidación del azúcar presente en la melaza con ácido nítrico en presencia de un deshidratante y un catalizador. Estudios realizados mostraron la recuperación de ácido entre el 40 y el 60 % en peso de melazas, con una pureza del 97 al 99,5 %. Es necesario desarrollar un proceso de acuerdo a los recursos y las capacidades de cada país.

4. UTILIZACION DE LA CAÑA DE AZUCAR.

Para tener oportunidad de competir en el mercado actual la industria del azúcar no tiene otra alternativa que la de reducir los costos de producción.

La primera opción es aplicar las tecnologías desarrolladas en los diferentes aspectos relacionados con la elaboración del azúcar (cultivo, fertilización, crecimiento, cosecha y los sistemas de transporte y producción). En otras palabras, traducir los productos, las investigaciones y el desarrollo en ganancias económicas para demostrar que la economía y la ciencia juntas hacen maravillas.

La reducción de los costos de producción es posible sólo hasta cierto punto, estos límites y el pujante desarrollo de la competencia (la industria de los edulcorantes de maíz, una clara muestra de la diversificación de una industria tradicional como la del maíz), han hecho que la industria del azúcar adopte nuevas estrategias que le permitan seguir compitiendo en el mercado mundial.

Entre las nuevas alternativas para diversificar la producción de las industrias azucareras, haciéndolas más competitivas y menos dependientes de las fluctuaciones de los precios de un sólo producto figuran : La producción de azúcares especiales, bebidas y alimentos para animales.

Azúcares especiales : El consumo mundial per capita de azúcar ha disminuido en los últimos años. Por esta razón, se evidencia el desarrollo promisorio del mercado de los azúcares especiales.

El azúcar moreno, producto antes destinado para las refinerías y la industria de alimentos ; es ahora un producto cuyo consumo dentro de la población está en ascenso, y hoy en día es común encontrar personas que la solicitan en diferentes establecimientos (hoteles, restaurantes, supermercados, etc.).

Otras clases de azúcares especiales que presentan buenas oportunidades de desarrollo son los jarabes con alto contenido de fructosa (HFS) y los azúcares líquidos saborizados. La tecnología para producir estos azúcares se encuentra disponible y se pueden hacer grandes ahorros de energía debido a que no necesitan ser cristalizados. Las posibles restricciones radican en los mecanismos de manejo y transporte.

La industria de bebidas prefiere los jarabes con alto contenido de fructosa, los cuales no requieren tratamientos previos. Los azúcares líquidos saborizados son azúcares de consumo directo que pueden ser producidos en las refinerías.

Jugos mezclados de fruta y caña de azúcar : La población de los países situados en la zona tropical (región comprendida entre los trópicos de Cáncer y Capricornio) requiere gran cantidad de bebidas, esta necesidad es la base del éxito de la industria de las gaseosas en dicha zona.

El jugo fresco de caña es una bebida muy nutritiva y refrescante, pero no está disponible para toda la población. Se han formulado y desarrollado diferentes bebidas con mezclas de jugo de caña y frutas ; la mejor combinación se produce con una parte de jugo de frutas, una parte de agua y una y media partes de jugo de caña ; con un contenido de azúcar del 11 al 15 %.

Análisis realizados demostraron que la combinación de los ácidos ascórbico y sórbico constituye el mejor preservativo. El tiempo de duración de los jugos mezclados es de dos semanas sin refrigeración, y de más de cuatro meses manteniéndolos a bajas temperaturas.

Alimentos para animales : La explotación a nivel industrial de la ganadería y la avicultura depende en gran medida de la necesidad de importar las materias primas para la elaboración de alimentos concentrados (harina de soja y harina de pescado). Esto explica como para poder desarrollar tales industrias es preciso encontrar nuevas fuentes domésticas que suplan a los productos importados, y le brinden a la industria cierto grado de protección e independencia ante la fluctuación de los precios de los productos importados y la devaluación de la moneda.

El reemplazo de los ingredientes importados para la elaboración de alimentos por fuentes de proteína y energía de producción nacional ofrece una alternativa muy atractiva para la diversificación de los productos de la industria del azúcar.

Estudios realizados en Cuba, México y República Dominicana han mostrado los buenos resultados que se obtienen al sustituir la harina de soja por levadura y el maíz por jugo de caña, en granjas dedicadas a la producción de cerdos ; también, se pueden utilizar mezclas de jugo de caña y soja o jugo de caña y levadura.

Los problemas de orden público y el alto costo de los alimentos preparados son algunos de los inconvenientes que ha tenido que sortear la ganadería en Colombia. Se pueden preparar concentrados o bloques energéticos con los cogollos de la caña de azúcar, levadura, el bagazo y la melaza.

Una industria que a nivel mundial es muy importante, pero que en nuestro país no se ha desarrollado es la de la cría de peces y camarones. Los altos costos de los alimentos y la necesidad de que estos tengan altos contenidos de proteína (35 a 40%), hacen que esta industria sea muy sensible a las fluctuaciones de los precios de las importaciones.

De lo anterior, queda claro que a la industria azucarera se le presentan tres buenas posibilidades para la producción de alimentos concentrados para animales que son :

Producción de alimentos para cerdos.

Producción de alimentos preparados para ganado.

Producción de alimentos para peces y camarones.

5. UTILIZACION DE LA CACHAZA.

La cachaza es el residuo que se obtiene en la etapa de filtración de los lodos provenientes del clarificador del jugo. La cantidad producida varia según los países y los ingenios, depende del sistema de clarificación, la tecnología del proceso de extracción del jugo y las variedades de caña.

Por su composición química se utiliza para el acondicionamiento de suelos, ofreciendo excelentes resultados.

En épocas en las que los precios del azúcar son bajos es necesario convertir los residuos de la caña y del proceso (cogollo, basura, bagazo sobrante y la cachaza) en productos de mayor valor.

La producción de fertilizantes orgánicos es una de las tecnologías desarrolladas para la comercialización de los residuos. Tradicionalmente, la cachaza, la basura de la caña y el bagazo han sido utilizados para acondicionar suelos, generalmente con éxito ; sin embargo, se pueden presentar algunos inconvenientes en la realización de esta práctica como son la proliferación de insectos y problemas con las fuentes de nitrógeno disponibles en la tierra.

Se ha desarrollado una tecnología para convertir la cachaza y el bagazo en fertilizante orgánico utilizando hongos y bacterias como promotores de la descomposición.

Esta alternativa resulta muy interesante si se tiene en cuenta la disponibilidad de grandes volúmenes de materiales en los ingenios, las facilidades de transporte y almacenamiento y el mercado existente para el producto terminado. Los beneficios son tanto para los ingenios (ahorro de energía y reducción de contaminantes) como para los productores de caña de azúcar (reducción de fertilizantes y un mejor producto proveniente de los ingenios).

Otra alternativa en estudio es la producción de fibras dietéticas a partir del bagazo, las cuales son hoy en día muy necesarias para evitar los problemas de eliminación y el cáncer de colon en la población causados por el creciente consumo de alimentos procesados y refinados.

El proceso desarrollado contempla un tratamiento con soda caústica, seguido por etapas múltiples de blanqueo y lavado. La fibra recuperada es del 20 al 30 % del bagazo entero y del 30 al 40 % del meollo ; el análisis del producto final reportó valores de 50 a 60 % de alfa celulosa, 0,3 a 1,5 % de lignina y 30 a 40 % de semicelulosa, con residuos mínimos de productos químicos.

Otro uso menos conocido a nivel nacional es para la obtención de cera refinada.

Cera refinada de cachaza : La caña de azúcar contiene entre 0,1 y 0,3% de cera, parte de la cual queda en el bagazo durante el proceso de molienda. Alrededor del 40 % pasa al jugo, de donde es separada en el proceso de clarificación.

La cera se obtiene en dos etapas ; en la primera se extrae por medio de solventes, obteniéndose la cera cruda. Luego se refina, separando las tres fracciones : Cera cruda, aceite y resina.

6. UTILIZACION DE LA CENIZA Y EL MATERIAL PARTICULADO.

La ceniza recogida en los ciclones, lavadores de gases y demás equipos que remueven el material particulado de los gases de chimenea, se utiliza mezclada con cachaza para la adecuación de

suelos (se obtiene un producto denominado cenichaza). Otra alternativa en estudio, es utilizarla en las fábricas de cemento como aditivo de la misma manera que las cenizas de las termoeléctricas.

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BUENAS PRACTICAS OPERATIVAS.

1. MANEJO DEL RECURSO AGUA.

Debido a la importancia que tiene el agua dentro del proceso de elaboración del azúcar, se han reunido todas las alternativas orientadas hacia el aprovechamiento integral de las aguas involucradas en el proceso y a la optimización del uso del agua, con el fin de disminuir el consumo de este recurso natural y reducir la generación de aguas residuales en los ingenios.

En la Tabla se presentan los consumos promedio de agua para la elaboración del azúcar en los ingenios.

Consumo de agua en los ingenios.

Uso Consumo (t/t de azúcar)Agua de proceso 5,11Agua como vapor 5,00

Agua de reposición 0,65Total 10,76

Agua de enfriamiento 9,00

FUENTE : Ingenios.

En la Tabla se dan algunas recomendaciones para el tratamiento de diferentes clases de aguas residuales generadas durante el proceso de elaboración del azúcar, una vez tratadas estas aguas se pueden utilizar para otros propósitos con el fin de disminuir el consumo de agua en la planta.

Dispositivos de control de la contaminación.

Agente Contaminante Sistemas y Equipos

Agua de lavado de cañaEnvío de aguas a clarificadores para separar tierra y arena y sistemas de tratamiento secundario si hubo pérdidas de

azúcar en el agua.

Agua de enfriamiento de molinos Envío de aguas a trampas para separar grasas de aceites.

Agua de condensadoresInstalación de equipos enfriadores y recirculación al

proceso.

Aguas de limpieza de evaporadoresDirigirlas a un tanque de homogenización - neutralización

y separación de sales.

Agua de purga de calderasTanque de homogenización - neutralización y separación

de sales.

Aguas residuales domésticasInstalación de sistemas de tratamiento por métodos

biológicos.

Aguas de lavado de emisiones atmosféricas Tratamiento en fosas de sedimentación.

FUENTE : Luis E. Zedillo.

En la Tabla se presentan los rasgos característicos de las corrientes de aguas residuales generadas durante el proceso de elaboración del azúcar.

Características de las aguas residuales de los ingenios.

Agua Residual Gasto (l/s) Contaminante Cantidad

Agua de lavado de caña 230 - 350 Materia Flotante Presente

    Sólidos sedimentables 200 - 400 ml/l

    DBO5 700 - 1.500 mg/l

Agua de enfriamiento de molinos 15 - 30 Materia flotante Presente

    Grasas y aceites 40 - 150 mg/l

Arrastre líquido de cachaza 10 - 20 Sólidos sedimentables 300 - 350 ml/l

    DBO5 1.500 - 2.000 mg/l

Agua de condensadores 500 - 900 Temperatura 38 - 54°C

    DBO5 60 - 200 mg/l

Agua de lavados químicos 5 - 10 pH 4 - 8

    DBO5 750 - 1.200 mg/l

Agua de lavado de pisos 5 - 10 Materia flotante Presente

    DBO5 200 - 400 mg/l

    Grasas y aceites 15 - 30 mg/l

Aguas residuales domésticas 2,5 - 10 Materia flotante Presente

    Sólidos sedimentables 50 - 150 ml/l

    DBO5 200 - 400 mg/l

    Coliformes totales13.200 - 15.000

NMP/100 ml

FUENTE : Luis E. Zedillo.

Recirculación de aguas de enfriamiento : La mayor parte del agua requerida en los procesos industriales se utiliza para enfriamiento, bien sea de un producto o del proceso.

En muchos sistemas se pasa el agua de enfriamiento a través del sistema una sola vez y se regresa a la fuente hídrica, incrementando el consumo de agua y aumentando la temperatura de la corriente receptora. Por este razón, se ha incrementado el uso de torres de enfriamiento en sistemas que permiten la recirculación del agua y reducen el consumo de agua tomada directamente de las corrientes (ríos y quebradas).

Existen tres tipos básicos de sistemas de agua de enfriamiento : De un solo paso, de recirculación cerrados (no evaporativos) y sistemas de recirculación abiertos (evaporativos). Nos referiremos a los últimos dos por considerarlos de mayor interés.

SISTEMAS DE RECIRCULACION CERRADOS

Aquellos en los que el agua se recircula en un sistema cerrado, las pérdidas por evaporación son despreciables y además, no existe exposición a la atmósfera que pueda alterar la química del agua. Son económicos, pero requieren altos niveles de tratamiento químico.

La transferencia de calor se realiza inicialmente entre el equipo de intercambio y el sistema cerrado y posteriormente, entre el sistema cerrado y un sistema de enfriamiento secundario (de un solo paso o de recirculación abierto). Su principal desventaja es la necesidad de disponer de un sistema de enfriamiento secundario, lo que aumenta los costos y el consumo de agua.

SISTEMAS DE RECIRCULACIÓN ABIERTOS

Se incorpora una torre de enfriamiento o una piscina de evaporación para disipar el calor retirado por el agua.

El sistema toma el agua de la piscina o del estanque de la torre de enfriamiento, la pasa a través del equipo que requiere el enfriamiento y luego la regresa a la piscina o estanque para realizar el intercambio de calor con el aire de la atmósfera.

Para compensar el agua evaporada y las purgas del sistema (para controlar el carácter químico del agua), se agrega el agua de reposición necesaria. Se evapora el 1 % de la tasa de recirculación por cada 10°F de disminución de la temperatura.

División de corrientes de aguas residuales : Es una alternativa que se debe considerar ya que no todos los efluentes generados durante el proceso de producción de azúcar tienen las mismas características ni requieren el mismo tratamiento para la reducción de los contaminantes presentes.

La división de las corrientes (aguas de molinos, aguas lluvias, aguas residuales domésticas, aguas de lavado, aguas de proceso y aguas de la estación de servicio) es una medida acertada que aumenta la eficiencia de la planta de tratamiento de aguas residuales y reduce los costos de dicho tratamiento. De esta manera, cada agua recibe el tratamiento que requiere y hace posible su reutilización o disposición final.

Sistema para recuperación de aguas dulces : Estas aguas resultan del lavado de equipos y tuberías ; se recuperan conduciéndolas mediante canales y tuberías a un sitio de bombeo, para retornarlas al proceso junto con el jugo diluido mientras la planta está en operación o concentrarlas y almacenarlas en tanques durante los paros de mantenimiento y liquidación, incorporándolas con el jugo diluido en el arranque de la planta.

Con la introducción de este sistema, se obtiene un doble beneficio, uno en el aspecto económico al recuperar grandes cantidades de azúcar presentes en estas aguas y, otro al disminuir la carga contaminante en las aguas residuales que van a ser tratadas en la planta de tratamiento.

Las aguas recuperadas se bombean a los tachos de primera, donde se concentran para evitar que se fermenten y reducir el volumen de almacenamiento

A manera de ejemplo se pueden citar el Ingenio del Cauca y el Ingenio Providencia, donde el sistema ha producido excelentes resultados.

Reutilización de aguas de lavado de caña : Para recircular el agua empleada para el lavado de la caña, se deben remover los contaminantes presentes (material grueso, arena, tierra y otros).

Los equipos comúnmente utilizados para este tratamiento son : Rejillas, desarenadores y lagunas de sedimentación y estabilización. Con este sistema no se producen efluentes hacía los ríos y demás corrientes de agua.

Reutilización de aguas residuales domésticas : Se generan en las instalaciones administrativas de la empresa (oficinas, comedores, cocina, baños, dormitorios y viviendas utilizadas por el personal), una vez tratadas estas aguas se pueden reutilizar para el riego de los cultivos más cercanos a la planta de tratamiento.

Reutilización de aguas de la estación de servicio : Las aguas residuales de la estación de servicio se producen por el lavado de automóviles, buses, tractores, vagones para transporte de la caña de azúcar y demás automotores de propiedad de los ingenios.

Estas aguas contienen principalmente sólidos sedimentables (tierra, barro, arena), sólidos solubles y grasas ; para su tratamiento se utilizan piscinas o estanques de sedimentación, y compuestos químicos como el alumbre para remover los sólidos solubles. Las aguas tratadas se pueden recircular para el lavado de automotores o disponerse para riego en los cultivos de caña.

2. APROVECHAMIENTO INTEGRAL DEL POTENCIAL ENERGETICO DE LA CAÑA DE AZUCAR.

El convenio firmado en el mes de Noviembre de 1.996 que reglamenta el desmonte de las quemas antes y después de la cosecha de la caña de azúcar (cosecha de caña verde), ha hecho que los productores de caña y especialmente los ingenios busquen nuevas alternativas para la disposición de los residuos generados en los campos.

De esta necesidad y con el deseo de aprovechar al máximo el potencial energético de la caña surgió la idea de utilizar los residuos agrícolas del cultivo, renovables anualmente, como combustible en las calderas para la generación del vapor. Tales residuos están compuestos por las hojas verdes y secas de la caña, los cogollos, las basuras y la caña que no se puede procesar.

El manejo y disposición de los residuos incrementa los costos de cosecha, transporte y procesamiento de la caña, de igual forma disminuye la recuperación de azúcar.

En la década de los 70s comenzó el interés a nivel mundial por el uso industrial de los residuos agrícolas de la caña (RAC). Cuba fue uno de los pioneros al respecto, implementó los centros de acopio y las estaciones de limpieza para la cosecha de caña verde, dichas instalaciones facilitaban la recolección y concentración de los RAC utilizados para alimentar animales o como combustibles. En la actualidad existen 11 ingenios equipados con las facilidades necesarias para aprovechar el potencial energético de los RAC.

Las cantidades de residuos generados varían enormemente dependiendo de la variedad de caña, del rendimiento y de la edad. La proporción de los residuos oscila entre el 10 y el 60 % en Colombia y entre el 25 y el 35 % en Sur Africa.

El poder calorífico de los residuos es equivalente al del bagazo con el mismo contenido de humedad ; con un contenido de humedad del 30 %, el poder calorífico es de 11.600 KJ/kg, al 10 % será de 15.800 KJ/kg. El contenido de humedad de los cogollos y basuras en la época de la cosecha es del 50 % ; si se dejan en el campo durante 2 o 3 días cae al 30 %, y al 15 % después de dos semanas. Cifras de Tailandia muestran que los residuos se pueden recoger, embalar y transportar a los ingenios a un costo de US$ 1,87/GJ, mientras el petróleo con un poder calorífico equivalente cuesta US$ 2,91/GJ. Cifras de la isla de Mauricio indican que se pueden producir a partir de los residuos 4,2 MWh de electricidad por hectárea de caña. Los residuos poseen un contenido de cenizas más alto que el del bagazo, por esta razón es recomendable quemarlos mezclados con bagazo.

En la Tabla se presentan las características de los diferentes materiales fibrosos de la caña de azúcar.

Características de los materiales fibrosos (Isla de Mauricio).

Parámetro Bagazo Cogollo Basuras

Humedad (%) 50 72 20

Densidad (kg/m3) 110 240 nd

Materia seca (DM) 50 28 80

Proteína cruda (% DM)   6,5 0,4

Fibra cruda (% DM)   30,5 nd

Grasa cruda (% DM)   3,3 nd

Cenizas (% DM)   5,4 7,0

Nitrógeno libre extraído (% DM)   54,3 nd

Carbón (% DM) 25,4 30,0 25,0

FUENTE : A. G. de Beer. nd : No determinado.

Para que un material sea considerado como combustible industrial se deben tener en cuenta sus principales parámetros técnicos y las operaciones involucradas como son : Potencial existente, características combustibles, posibilidades de preparación para uso industrial, etc.

Potencial disponible de los RAC : La estructura vegetativa de la caña se compone de caña limpia y RAC, o materia extraña (EM). Su composición está relacionada con el rendimiento agrícola, cuando éste disminuye el porcentaje de RAC aumenta, generalmente se encuentra entre el 18 y el 22 %. En la Tabla se muestra la composición de la caña en función del rendimiento ; los valores están expresados en base húmeda, lo cual tiene implicaciones importantes para las operaciones de recolección y transporte. Para cálculos energéticos se prefieren los valores en base seca, que aparecen en la parte sombreada de la Tabla.

La cantidad de materia seca (contenido de humedad de la caña 68 %) en los campos van de 13 a 27 t/ha, de las cuales entre el 25 y el 30 % son RAC, lo que significa entre 4 y 7 t/ha de residuos.

Composición de la caña en función del rendimiento agrícola (%).

Rendimiento (t/ha) Caña limpia RAC Hojas secas Hojas verdes Tallos verdes Caña sin EM

30 - 50 78 22 7 8 7 3,5

51 - 70 79 21 7 8 6 3,7

71 - 85 80 20 6 8 6 4,0

> 85 82 18 5 7 6 4,4

13 70 30 18 7 5 2,3

19 72 28 18 8 4 2,6

25 73 27 16 7 4 2,7

27 75 25 15 6 4 3,0

FUENTE : A. Aguilar.

Características combustibles : Los combustibles orgánicos sólidos están compuestos por sustancias químicas tales como carbón, hidrógeno, azufre, nitrógeno, agua y algunas sales minerales que constituyen la ceniza.

En la tabla se muestra la composición y el poder calorífico de algunos combustibles sólidos.

Composición de los combustibles sólidos.

Combustible C H S N O Ceniza PC (KCal/kg)

RAC 42,4 6,3 - - 44,3 7,0 4.484

Bagazo 47,0 6,5 - - 44,0 2,5 4.600

Madera 49,5 6,2 - 1,1 43,1 - 3.220

Turba 21,0 8,3 0,6 1,1 62,9 6,0 1.990

Lignito 42,4 6,6 1,1 0,6 42,1 7,2 3.940

Antracita 84,4 1,9 0,9 0,6 4,4 7,8 7.390

FUENTE : A. Aguilar.

El análisis próximo de un combustible indica características tales como el carbono fijo, sustancias volátiles, humedad y cenizas. En la Tabla se muestran algunos rasgos característicos de los combustibles sólidos.

Análisis próximo de los combustibles sólidos.

CombustibleHumedad

(%)

Cenizas

(%)

Carbono fijo (%)

Volátiles (%)PCU

(KCal/kg)

RAC 25,3 7,0 9,1 83,9 2.982Bagazo 50,0 2,5 13,9 83,6 1.974Turba 56,7 13,8 25,9 60,0 550Lignito 34,5 11,1 35,0 53,9 2.212

Antracita 2,8 8,1 90,7 1,2 7.076

FUENTE : A. Aguilar. PCU : Poder calorífico útil.

Debido al alto contenido de materia volátil de los RAC, estos se encienden rápidamente, aumentando la temperatura del horno hasta que se produce la combustión completa del material. Otra cualidad importante de los RAC es que durante su combustión no se producen óxidos de azufre (SO2) ya que no contienen dicho elemento.

Tecnologías para la preparación de los RAC : La incorporación de los residuos agrícolas de la caña al proceso industrial requiere de su recolección, transporte y preparación, debido a la heterogeneidad del material, su baja densidad y a la contaminación con el terreno durante la recolección. Estas operaciones pueden resultar muy complejas a causa de la dispersión del material en el campo y dependen de la tecnología utilizada para la cosecha de la caña.

Cuba es el pionero en cuanto al manejo de los RAC se refiere, desarrolló un subsistema de enlace entre la agricultura y la industria, denominados centros de acopio o de limpieza. En estas instalaciones se limpia en seco la caña, se separan y concentran los residuos en puntos determinados lo que facilita las operaciones y disminuye los costos.

La operaciones relacionadas con la preparación de los residuos son de gran interés para su industrialización, ya que mejoran la eficiencia de las operaciones unitarias en la industria. La preparación de los combustibles sólidos depende del método de combustión elegido.

Cuando la quema es por el método de llama, es necesario pulverizar el combustible y alcanzar humedades cercanas a las de equilibrio. Cuando el método de quema es en pila o en semisuspensión las exigencias de preparación son menores, como en el caso de la combustión del bagazo.

La preparación de los RAC consiste en dos operaciones básicas : Reducción del tamaño de las partículas y disminución de la humedad, dada la posibilidad de obtener un combustible de mejor calidad empleando la energía solar.

Disminución de la humedad : La humedad de los RAC depende de múltiples factores tales como tipo de corte, período de zafra y estado del tiempo, por estas razones varía en un amplio rango (40 a 60 %). La humedad se puede disminuir por simple exposición al sol a valores de 20 a 30 %. Para tal fin se acondiciona un patio de asfalto con dimensiones de 60 por 40 m2, donde los RAC expuestos formando pilas alcanzan la humedad antes mencionada en un tiempo aproximado de 60 horas, con un incremento de energía del 17 %.

Reducción del tamaño de las partículas : Constituye la operación principal debido a la alta eficiencia que deben brindar los sistemas seleccionados para tal fin. Actualmente se dispone de múltiples alternativas (molinos de dos o tres mazas, cuchillas Varona, molinos desmenuzadores y picadores neumáticos JJ-I. En la Tabla se muestran los resultados obtenidos durante la evaluación de los sistemas para la reducción del tamaño de los RAC.

Indice de eficiencia de los equipos evaluados.

Indice de eficienciaMolino de dos mazas

Molino de tres mazas

Cuchillas Varona

Molino desmenuzador

Picador JJ - I

Nivel de Preparación (%)

20,7 - 30,9 87,0 71,0

Consumo de energía (KWh/t)

6,4 9,6 3,9 20,4 5,5

FUENTE : Eduardo Casanova.

Calidad del producto : Con la aplicación de los sistemas antes mencionados para la recolección y preparación de los RAC, se obtiene un producto con calidad para uso industrial como combustible con las siguientes características :

Tamaño de partículas, clase < 11,64 mm.

Contenido de ceniza, 6 a 10 %.

Contenido de humedad, 20 a 30 %.

Valor calórico neto promedio, 2.884 KCal/kg.

Densidad aparente promedio, 40 kg/m3.

Operaciones industriales : Los RAC debidamente preparados poseen características físico-mecánicas similares a las del bagazo, lo cual facilita su utilización en instalaciones que normalmente operan con bagazo, incluso se pueden emplear mezclas de los dos combustibles.

Recepción y dosificación a los hornos : Los RAC se recepcionan en instalaciones similares a las empleadas para el almacenamiento del bagazo y se dosifican conjuntamente con el mismo.

Cuando los volúmenes a manipular son grandes se puede utilizar un sistema de recepción complementario conformado por un descargador y una tolva con fondo vivo y dosificador. A este sistema se une un elevador que entrega los RAC directamente al conductor repartidor de combustible a los hornos.

Combustión : La combustión de los RAC se efectúa en cualquiera de los generadores de vapor empleados para bagazo en los ingenios ; la eficiencia de las calderas que utilizan los RAC como combustible oscila entre el 65 y 75 %.

En la Tabla se muestran algunos aspectos importantes de la operación de los sistemas para generación de vapor que emplean bagazo, RAC o una mezcla de los dos combustibles, el porcentaje de los RAC en las mezclas oscila entre el 10 % y el 43 % para obtener mezclas de características físico-mecánicas similares a las del bagazo y cualidades combustibles ligeramente superiores.

Parámetros de operación de los generadores de vapor.

Parámetros de operación Bagazo RAC

Mezclas

(10 - 43 %)Temperatura de llama (°C) 981 1.080 1.009

T. gases al salir del horno (°C) 879 872 979T. gases que salen de la caldera (°C) 264 250 277

Flujo de vapor (t/h) 19,43 18,57 19,31Combustible alimentado (t/h) 9,06 4,88 6,49

Exceso de aire 1,99 2,18 1,72

FUENTE : Eduardo Casanova.

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