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Ministerio de Educación Superior
Universidad de Pinar del Río “Hermanos Saíz Montes de Oca” Facultad de Ciencias Técnicas
“Centro de Estudios de Energía y
Tecnologías Sostenibles-CEETES”
Caracterización y densificación de la biomasa forestal (aserrín y
corteza de Pinus Caribaea Morelet var Caribaea) en la fabricación de
briquetas en la Empresa Agro Forestal (EAF) Macurije.
Tesis en opción al título académico del grado de Máster en Eficiencia Energética.
Ing. Erick Raúl González Cala.
Pinar del Río, 2018.
Ministerio de Educación Superior
Universidad de Pinar del Río “Hermanos Saíz Montes de Oca” Facultad de Ciencias Técnicas
“Centro de Estudios de Energía y
Tecnologías Sostenibles-CEETES”
Caracterización y densificación de la biomasa forestal (aserrín y
corteza de Pinus Caribaea Morelet var Caribaea) en la fabricación de
briquetas en la Empresa Agro Forestal (EAF) Macurije.
Tesis en opción al título académico del grado de Máster en Eficiencia Energética.
Autor: Ing. Erick Raúl González Cala
Tutor: Dr. C. Francisco Márquez Montesino
Dr. C. Daniel Álvarez Lazo
Pinar del Río, 2018.
PENSAMIENTO
“Biomasa, viento y corrientes de agua son como ruedas impulsadas por el
motor del Sol, que pueden girar eternamente siempre y cuando el hombre no
modifique el equilibrio global que viene de fábrica”
Junta de Andalucía
AGRADECIMIENTOS.
En primer lugar, agradecer a mi madre, esta tesis va dedicada a ella, a su sacrificio,
dedicación y enseñanza en mi vida.
Agradecer además al Dr. Francisco Márquez Montesinos por su apoyo sincero,
amistad y ayuda en todo momento, al Dr. Daniel Álvarez Lazo por su ayuda, su
amistad, y por ser parte fundamental en la concepción de este trabajo, a la Empresa
Agro Forestal Macurije, donde me recibieron atentamente en todo momento y me
brindaron su ayuda, especialmente al Dr. Abelardo Domínguez Goizueta y Dr.
Osmani González Hernández, a los compañeros del Centro de Estudios de Energías
y Tecnologías Sostenibles (CEETES), Msc. Yanet Guerra Reyes, Msc. Boris Abel
Ramos Robaina, Dr. Eduardo José Almirall Romero, Dr. Leonardo Aguiar Trujillo y al
Ing. Andrés Espino por su ayuda a través de la empresa INEL, y en especial a la
Universidad de Pinar del Rio “Hermanos Saíz Montes de Oca” en la cual me he
formado como revolucionario.
RESUMEN En el desarrollo de este trabajo, se tuvo como objetivo el aprovechamiento
energético de las briquetas como biocombustible sólido densificado fabricadas con
aserrín y corteza de pino, utilizando como aglutinante los desechos en la destilación
de la resina de pino, mezclados con los residuos madereros del aserradero
perteneciente a la EAF Macurije de la provincia de Pinar del Río. Se elaboraron tres
tipos de briquetas, con la siguiente composición de materia prima: 100% de aserrín,
50% de aserrín y 50% de corteza, 100% de corteza, cada una con diferentes
diámetros y alturas. Posteriormente se procedió a determinar el análisis inmediato de
las muestras: porcentaje de humedad, porcentaje de cenizas, cantidad de materia
volátil, porcentaje de carbono fijo y realización del pH a las cenizas, obteniéndose
valores bajos de ceniza y humedad. Unido a esto se realizaron pruebas de
resistencia mecánica tales como: densidad, conductividad térmica, resistencia a la
compresión e impacto, lográndose resultados satisfactorios en la fabricación de estas
briquetas. Se concluyó que la briqueta que presenta las propiedades físicas,
químicas, y mecánicas más adecuadas, es la briqueta de tipo II, o sea, la mezcla de
aserrín con corteza de pino.
A partir de los resultados obtenidos en esta etapa, estos incitan a la continuidad de
los ensayos para optimizar una producción en la medida de lograr un producto de
mejor calidad, contribuir al cuidado del medio ambiente y brindar una solución
energética.
PALABRAS CLAVES:
Energía, biocombustibles y briquetas.
ABSTRACT In the development of this work, the objective was the energy use of briquettes as a
densified solid biofuel made with sawdust and pine bark, using as waste binder in the
distillation of pine resin, mixed with wood waste from the sawmill belonging to the
EAF Macurije of the province of Pinar del Río. Three types of briquettes were
prepared, with the following raw material composition: 100% sawdust, 50% sawdust
and 50% bark, 100% bark, each with different diameters and heights. Subsequently,
the immediate analysis of the samples was determined: percentage of humidity,
percentage of ash, amount of volatile matter, percentage of fixed carbon and
realization of the pH to the ashes, obtaining low values of ash and humidity. In
addition to this, mechanical strength tests were carried out, such as: density, thermal
conductivity, resistance to compression and impact, achieving satisfactory results in
the manufacture of these briquettes. It was concluded that the briquette that presents
the most appropriate physical, chemical, and mechanical properties is the type II
briquette, that is, the mixture of sawdust with pine bark.
Based on the results obtained in this stage, they encourage the continuity of trials to
optimize production in order to achieve a better quality product, contribute to the care
of the environment and provide an energy solution.
KEY WORDS:
Energy, biofuels and briquettes.
TABLA DE CONTENIDO.
INTRODUCCIÓN ……………………………………………………………………. 8
Capítulo 1. Revisión bibliográfica………………………………………………...12
1.2 La madera como material biomásico…………………………………………. 13
1.3 Aprovechamiento de la biomasa residual forestal…………………………... 14
1.4 Transformación de la biomasa forestal para su conversión en energía…... 20
1.5 Máquinas briquetadoras………………………………………………………….26
1.6 Mercado de las briquetas……………………………………………………….. 27
Capítulo 2. Materiales y Métodos ………………………………………………... 29
2.1 Aspectos metodológicos………………………………………………………….31
2.2 Análisis del aserrín y corteza para su tratamiento como materia prima…….32
2.3 Análisis químico inmediato del aserrín y la corteza …………………………..34
2.4 Procedimiento empleado en la fabricación de las briquetas…………………36
2.5 Análisis químico inmediato, pruebas físicas y de resistencia mecánica…… 41
2.6 Pruebas de resistencia mecánica, compresión………………………………. 47
2.7 Obtención de la briqueta tipo II con mejoras estructurales…………………. 51
Capítulo 3. Análisis y Discusión de los Resultados…………………………... 52
3.1 Tratamiento de la materia prima…………………………………………………52
3.2 Comportamiento de las briquetas obtenidas en los 4 experimentos………...54
3.2.1 Comparación de los resultados………………………………………………. 58
3.3 Comparación entre análisis inmediato de la materia prima y las briquetas…66
3.4 Análisis económico……………………………………………………………….. 67
3.5 Impacto medio ambiental………………………………………………………....69
Conclusiones…………………………………………………………………………. 71
Recomendaciones…………………………………………………………………....72
Referencias bibliográficas…………………………………………………………..73
Bibliografía……………………………………………………………………………..78
Anexos…………………………………………………………………………………..84
INTRODUCCIÓN.
En los últimos años han proliferado las publicaciones en torno a las fuentes
renovables de energía donde cada vez parece más extendida la acepción de
energías renovables. El adjetivo renovable indica que su producción se renueva en el
tiempo. Dentro de las energías renovables más estudiadas se encuentran las que se
obtienen de la biomasa. (1)
En la actualidad el uso de los subproductos forestales tiene un alto nivel de
desaprovechamiento. El aserrín, viruta, ramas, entre otros, se acumulan en grandes
espacios o se queman en calderas, sin poseer valor agregado o alcanzar una
eficiencia energética mayor, asimismo la acumulación de aserrín en los patios
industriales constituye un peligro ambiental por sus posibilidades de contaminación
bacteriana del suelo, contaminación del aire y la posibilidad latente de incendios. Una
de las vías para utilizar los residuos madereros es transformándolos en pellets o
briquetas, conocidos también como biocombustibles sólidos densificados. Al producir
y comercializar este tipo de biocombustibles, se disminuye considerablemente la
cantidad de residuos que son perjudiciales para el entorno en que se encuentran, así
como también se logra una combustión más limpia y eficiente. (2)
Una de las formas de obtener energía es a través del uso de briquetas. Las
metodologías industriales de briquetado proceden de la segunda parte del siglo XIX.
A partir de entonces el uso de las briquetas ha estado atado a períodos de escasez
de combustible y a épocas de crisis. Durante la II Guerra Mundial la fabricación de
briquetas a partir de residuos madereros y otros desperdicios se encontraba muy
extendida en Europa y América. Después de la guerra, las briquetas fueron aisladas
del mercado por los hidrocarburos baratos. Nuevamente durante los períodos de alto
precio de la energía, como en los años 70 y principios de los 80, el uso de briquetas
se revitaliza, principalmente en Escandinavia, los EEUU y Canadá. Actualmente la
tendencia es producir briquetas de combustible de bajo costo económico, a partir de
residuos no utilizados. (3)
Las briquetas o bloques sólidos son biocombustibles para generar calor utilizándolos
en estufas, chimeneas, hornos y calderas. Es un producto 100% ecológico y
renovable, ya que están hechas de residuos forestales y está catalogada como
biocombustible sólido, que viene en forma cilíndrica o de ladrillo, la cual sustituye a la
leña con muchas ventajas: poder calorífico similar, fácil y rápido encendido, baja
humedad, alta densidad, ocupa menos espacio, son homogéneas, fácil manipulación,
sin olores, humos ni chispas y menor porcentajes de cenizas. (2)
Derivado del procesamiento en la industria, de los troncos madereros, tal como viene
desde su hábitat hasta que se transforman en tablas, muebles y demás productos
derivados, se obtienen grandes cantidades de aserrín, virutas y desechos pequeños
que se depositan en áreas que ocupan grandes espacios útiles para otras funciones,
formando grandes volúmenes que finalmente se queman, entierran o se abandonan.
Estas grandes cantidades de madera reseca, tienen el peligro permanente de
producir incendios, así como también de ser refugio para pequeñas alimañas,
roedores, depósitos de basuras y enfermedades.
La Provincia de Pinar del Rio ha sido siempre una zona muy abundante en recursos
forestales. Su gran extensión y suelo propicio, le han permitido desarrollar en el
transcurso de los siglos una gran superficie de bosques y profusión de especies,
entre las cuales se pueden destacar el algarrobo, el pino, ayúa, majagua, roble,
eucalipto, acacia, entre otras especies.
Durante la recopilación de información primaria y secundaria para la realización de
esta investigación, se pudo constatar que: el mercado de briquetas es hoy una
realidad a nivel mundial y que en Cuba principalmente en la Provincia de Pinar del
Río presenta un excelente potencial para su producción, aunque, se comprobó que
existen proyectos sobre la utilización de la biomasa como fuente de energía
mediante gasificadores o biodigestores.
Por otra parte, se conoció que en la EAF Macurije de Pinar del Río se pretende
utilizar la biomasa forestal para satisfacer necesidades energéticas. Por todo ello
surgió la iniciativa de utilizar los residuos madereros (aserrín y corteza de pino) para
fabricar briquetas y así lograr una fuente de energía económica, no contaminante y
de fácil empleo. Este estudio, tendrá un alto valor económico, ecológico y productivo
para la provincia y el país en general.
La Empresa Agro Forestal Macurije de Pinar del Río se encuentra ubicada en el km 9
Carretera a Mantua, del municipio de Guane, Pinar del Río.
Es uno de los aserraderos más importantes de la provincia, por la cantidad de
producción de madera que produce al año, unido a esto es la única empresa de la
provincia donde se fabrican los postes para abastecer a las diferentes empresas
como la empresa eléctrica y la empresa de telecomunicaciones únicas en su tipo en
nuestro país.
Esta empresa tiene la misión de satisfacer las necesidades y expectativas esperadas
por los clientes en variedad de surtidos forestales, orientando y coordinando las
acciones con las Unidades Empresariales de Base, asegurando en su fomento, el
desarrollo e industrialización, dirigidas a potenciar los ingresos en divisas,
asegurando el consumo nacional de productos forestales y otras producciones
agropecuarias, garantizando el autoabastecimiento, así como potenciar la protección
del medio ambiente (19).
Objeto social: Producir y comercializar de forma mayorista, madera en bolo, aserrada
y rolliza, postes y todos los derivados de la madera, así como brindar servicios de
aserrado, re-aserrado y secado de maderas (19).
La Empresa participa en la introducción y generalización de los adelantos de la
ciencia y la técnica en la actividad productiva. Ello proporciona un aprovechamiento
integral y racional de los recursos del bosque. La asociación de la actividad
productiva con capital financiero fundamentalmente nacional, permite potenciar la
introducción y generalización de los adelantos de la ciencia e innovación tecnológica,
propiciando aumentar significativamente en cantidad y calidad las producciones de
madera aserrada, haciendo este producto competitivo en el mercado, logrando
aprovechar los productos madereros y no madereros del bosque a plena capacidad y
de forma sostenible, reduciendo al mínimo posible el impacto ambiental (19).
Para el desarrollo del estudio sobre las briquetas se propone el siguiente diseño de
investigación:
Diseño de Investigación.
Problema Científico: La no densificación y caracterización del aserrín y corteza de
Pino dificulta su utilización como fuente renovable de energía, provocando la
contaminación del ecosistema y el cumulo de residuos en la EAF Macurije.
Objeto de estudio: Las Briquetas de aserrín y corteza de Pino con fines energéticos.
Campo de acción: Proceso de obtención de briquetas para su uso energético.
Objetivo: Obtener y caracterizar briquetas como biocombustible sólido densificado.
Objetivos específicos:
1. Fundamentar teóricamente la importancia de la fabricación de briquetas
como biocombustible sólido densificado y para su uso energético,
2. Diseño de un dispositivo de briquetado a escala de laboratorio,
3. Comprobar si el producto obtenido cuenta con los parámetros requeridos
para su uso energético.
Tareas:
- Revisión bibliográfica sobre el tema de briquetado de biomasa forestal con
fines energéticos.
- Análisis y realización de pruebas sobre las propiedades físicas, químicas y
mecánicas del aserrín y corteza del pino para su empleo en la fabricación de
briquetas.
- Diseño y fabricación de un dispositivo de briquetado.
- Valoración económica en cuanto al aprovechamiento de la biomasa como
fuente energética.
- Valoración del impacto ambiental provocado por los desechos madereros
utilizados.
Hipótesis:
Haciendo una caracterización de los residuos madereros en la EAF Macurije se
podrán obtener briquetas para ser utilizadas como biocombustible sólido densificado.
Estructura del trabajo:
Para dar cumplimiento a los objetivos propuestos y dar solución al problema
expuesto, se estructuró el presente trabajo en tres capítulos:
En el primer Capítulo se presenta la revisión bibliográfica sobre la temática abordada.
En el segundo Capítulo se expone la metodología utilizada para la realización del
trabajo mostrando los instrumentos de medida, las variables y los atributos de la
investigación.
En el tercer Capítulo son presentados los resultados obtenidos.
Finalmente se exponen las conclusiones y recomendaciones para trabajos futuros.
CAPÍTULO I. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA.
1.1 La biomasa.
La búsqueda de alternativas energéticas por el hombre a través de la historia ha
estado presente en todo momento, es por ello que esto dio lugar al surgimiento de
nuevas formas y métodos de obtener energía, como es la biomasa.
Por lo general se denomina biomasa a la materia orgánica originada en procesos
biológicos espontáneos, o provocados que pueden ser utilizados como fuentes de
energía y, ésta a su vez puede usarse para responder ante ciertas demandas
energéticas (6).
1.1.2 Tipos de biomasa.
La biomasa en todo su conjunto se puede dividir en grandes grupos, y estos pueden
ser:
Biomasa virgen: Madera, plantas, y hojas.
Biomasa fósil: Este tipo de biomasa no tiene carácter renovable, ya que su
agotamiento es mucho más rápido que la posibilidad de que vuelva a
generarse.
Residuos sólidos y líquidos: Aguas residuales, desechos animales, gases de
vertederos y residuos agrícolas.
Biomasa residual húmeda: esta procede de las aguas residuales ya sean
urbanas o industriales y también los residuos ganaderos.
Cultivos energéticos: Son aquellos cultivos realizados tanto en terrenos
agrícolas como forestales y que están dedicados a la producción de biomasa
con fines no alimentarios.
También existe otra clasificación dada por (Basu, 2012) que plantea que: la mayor
parte de la biomasa es lignocelulosa, un ejemplo de biomasa lignocelulosa es la
madera, parte constituyente de una planta vascular que tiene un tallo sobre el suelo y
es cubierta por una capa de espesa cubierta. La madera incluye los árboles,
arbustos, cactus, etc. Pueden ser de dos tipos: herbáceos o leñosos.
Una planta herbácea tiene hojas y tallos y mueren anualmente al final de su
crecimiento, mientras que las plantas leñosas no son estacionales, estas viven todo
el año, y sus tallos, el tronco y las hojas de los árboles forman unos de los grandes
grupos de biomasa disponible.
1.1.3 Características de la biomasa.
Dentro de la biomasa podemos encontrar una compleja mezcla de materiales
orgánicos como, carbohidratos, grasas, y proteínas, también podemos encontrar
pequeñas cantidades de minerales tales como, sodio, fósforo, calcio y hierro.
Como desventajas comunes de la biomasa se puede señalar su falta de uniformidad
y su baja densidad, de ahí que deben producirse cerca de su lugar de utilización, ya
que el empleo de transporte a largas distancias minimizaría sus ventajas. Ambas
dificultades pueden eliminarse mediante la peletización o la construcción de
briquetas, pero esto implicaría un incremento en el costo de explotación. Otra
desventaja es su bajo valor calórico comparado con otros combustibles (7).
Los principales componentes de la biomasa son:
Sustancias extractivas: Son sustancias presentes en tejidos de animales o
vegetales, que pueden ser separados con tratamientos con solventes y
recuperados por la evaporación de la solución.
Pared celular: La pared celular está compuesta por carbohidratos y lignina, los
cuales aportan rigidez estructural a la planta, mientras que la lignina mantiene
a las fibras unidas.
Cenizas: Esto constituye la parte inorgánica de la biomasa.
1.2 La madera como material biomásico.
La madera ha sido empleada por el hombre desde su surgimiento como especie,
esta ha proporcionado abrigo, calor, transporte combustible y confort a lo largo de la
historia de la humanidad.
Actualmente esta se emplea en casi todas las áreas y esferas de la vida común, se
han hecho grandes e importantes aportes al conocimiento de la madera como ciencia
y de ahí el conocimiento de su estructura, propiedades y beneficios en su aplicación
en todas las formas independientes en la que esta puede ser usada.
El estudio técnico y de manera profunda de la madera ha permitido el desarrollo
creciente sobre la base de un nuevo lenguaje técnico, seguido de la aplicación de
ciencias como la Física, Química, y Matemática las cuales han ayudado a entender
cómo aprovecharlas mejor (28).
1.3 Aprovechamiento de la biomasa residual forestal.
La combustión de biomasa constituyó tradicionalmente la fuente de energía más
importante desde el descubrimiento del fuego hasta la revolución industrial.
En los últimos períodos, este aprovechamiento ha vuelto a ocasionar un gran interés,
entre otras razones, ante la problemática del cambio climático global, cuyo origen
parece vinculado al sistema energético actual. Esta circunstancia ha originado que, a
los criterios tradicionales de gestión energética, basados en lograr la mayor
competitividad de costes y seguridad de suministro posibles, se hayan añadido otros
tendentes a lograr una mayor protección del medio ambiente, a través de una política
que incluye el desarrollo de energías de carácter renovable entre las que se
encuentra la biomasa residual forestal (9).
En el mundo, son millones las toneladas que se generan anualmente en biomasa
forestal, producto de los procesos básicos de la industria maderera, tales como: la
tala en bosque, el aserrado y fabricación de productos madereros que, en su
mayoría, generan desperdicios sin posibilidad de aprovechamiento.
Durante las labores de tala, los residuos como ramas, hojas y raíces son
abandonadas en el sitio, con el peligro que provoquen desastres naturales de
grandes proporciones, así como incendios que anualmente arrasan con cientos de
hectáreas de bosque (10).
En los aserraderos, por ejemplo, durante la transformación del tronco a tablas, según
la FAO, únicamente un 30% del material se aprovecha como madera aserrada, lo
que da como resultado entre un 70 o 60% del árbol talado, convertido en residuos
como cortezas, virutas, lijaduras y pedazos de madera que se quedan en el bosque
(10).
1.3.1 Los residuos en los aserríos.
Los residuos forestales son aquellos que salen directamente de los aserraderos
según (Murua Ruiz, 2015) también pudiéramos definirlos como aquellos que son
amontonados ocupando grandes espacios en las afueras de estas instalaciones.
La falta de recursos económicos ha impedido el desarrollo de otras variantes y tipos
de mini industrias en las cuales estos desechos pudieran aprovecharse, lo que
impide un desarrollo más amplio de todo este gran potencial.
En los aserraderos de la provincia de Pinar del Río no está estipulado el uso de
locales para el almacenamiento de grandes cantidades de desechos, tanto de
aserrín, como ramas y cortezas, trayendo como consecuencia que los desechos se
amontonen en grandes pilas, recibiendo la humedad y adversidades ocasionadas por
el clima.
Esto ocurre muchas veces sin darles un uso adecuado como puede ser la
generación de energía eléctrica aprovechando todos los desechos generados en el
proceso tecnológico en el aserrado de la madera. Ejemplo de esto se muestra a
continuación en la siguiente figura.
Figura 1. Uso final de los residuos madereros en la provincia de Pinar del Río.
Fuente: Alvarez (2011).
Otra opción sería mejorar la eficiencia del proceso con maquinaria más moderna o
aprovechar los restos más grandes para fabricar listones, chapa, o parles (30).
Figura 2. Cúmulo de aserrín en las áreas del aserrío perteneciente a la EAF Macurije.
Fuente: Propia.
Figura 3. Cúmulo de astillas y aserrín en las afueras del aserrío de la EAF Macurije.
Fuente: Propia.
La importancia que tiene el aprovechamiento energético y de eliminar los desechos
de la industria forestal ha conducido a investigaciones de especialistas para su
diverso uso y formas de aprovechamiento (5).
1.3.2 Tipos de residuos producidos en los aserríos.
Estos residuos o desechos pueden clasificarse según (Vignote. S. y F. Jiménez,
1996) en las formas siguientes:
Corteza: La corteza de los fustes de los árboles tiene una naturaleza totalmente
diferente a la madera, por lo que se separa de esta en un proceso específico llamado
descortezado o durante el proceso de fabricación mezclada con otras partes de
madera.
Aserrín: Este es el residuo más común que se obtiene como resultado de la acción
de corte de las sierras sobre la madera. Su forma y tamaño dependen del régimen de
corte y del tipo de sierra utilizado oscilando entre 1 y 7 mm de longitud y de 2 a 5 mm
de espesor.
Es necesario destacar que el por ciento de aserrín varía según el diámetro de las
trozas, el tamaño de las piezas de madera aserrada producida, así como de la
herramienta utilizada.
Costeros y puntas: Estos son denominados residuos sólidos porque son piezas de
dimensiones grandes relativamente que se obtienen como consecuencia de
secciones rectangulares, redondas y elípticas de madera aserrada.
1.3.3 Situación forestal en Cuba.
Según el Programa Nacional de Desarrollo Forestal en el año 2012 se estimó el
patrimonio forestal de Cuba en un 26,1% del territorio total de la isla siendo la
provincia de Pinar del Río la que mejor situación posee.
La superficie boscosa de Pinar del Rio alcanza alrededor de los 1500 km2 compuesta
en su mayoría por pinares siendo este uno de los principales potenciales de la
provincia produciendo el 42% de la madera aserrada que se consume a lo largo en
todo el país alcanzando los 84000 m3 anuales (28).
Los bosques de coníferas constituyen el principal potencial productivo de ésta
provincia, resaltando las especies de Pinus caribaea Morelet var caribaea y Pinus
tropicalis Morelet para el abastecimiento de la industria de aserrado como para la
producción de madera en tablón.
1.3.4 Manejo forestal en la provincia de Pinar del Rio.
Este sector en la provincia de Pinar del Río está compuesto principalmente por 5
Empresas Forestales Integrales (EFI) que manejan por plantación un total de 54
especies forestales y frutales, las más representativas son: las dos especies de
Pinus (Pinus caribaea Morelet var caribaea y Pinus tropicalis Morelet) con el 89,5 %;
8,4 % de Eucalyptus sp, Hibiscus elatus Sw con el 0,53 %; Swietenia macrophylla
King con el 0,25 %, Swietenia mahagoni (L.) Jacq con el 0,19 %; Acacia mangium
Willd con el 0,4 % y el 0,73 % de especies frutales. Existen en la provincia 9
aserraderos distribuidos por las principales zonas de producción maderera. Se
cuenta además con un total 5 hornos de secado, 7 cámaras, 1 planta de
preservación de postes, 1 planta de destilación de resina y 1 planta de beneficio de
carbón todo esto dentro del sector forestal de la provincia (29).
Existen 16 formaciones boscosas predominando desde el punto de vista económico
la de pinares con 113 530,9 ha (29,5 %) y las exóticas con 13 245,5 ha (3,4 %). La
provincia cuenta con uno de los principales aserraderos del país, el aserradero
Combate de las Tenerías perteneciente a la EAF Macurije. Su tecnología instalada
en sus áreas productivas, proporciona una gran diversidad de surtidos, ejemplo de
esto es: postes para tendidos eléctricos, madera aserrada de diferentes dimensiones,
lo que le atribuye un aprovechamiento íntegro de la materia prima (Pinus caribaea
Morelet var caribaea); sin embargo, con poca utilización de los residuos que en él se
generan.
Cuenta además con un sistema de secado de madera de última tecnología
mejorando así la calidad de la madera como producto final (29).
En este aserradero se producen aproximadamente 25 000 m3 de madera aserrada de
pino anualmente, de ahí que constituye la instalación donde se genera la mayor
cantidad de residuos forestales de la provincia de Pinar del Río (29).
A continuación, en la siguiente tabla se muestra un compendio de los nueve
aserraderos estatales con los que cuenta la provincia hoy en día, donde se procesan
todos los recursos forestales maderables, destinados a la comercialización tanto de
la provincia como para el país.
Tabla 1. Características de los aserraderos en la provincia.
EFI. Aserradero. Ubicación. Tecnología
empleada.
Producción
m3/año.
Macurije. Combate de
las Tenerías.
Km 10 Carretera
Guane- Mantua.
Española. 25000
Macurije. Sergio
González.
Isabel Rubio Guane. USA 1630
Pinar del Rio. 22 Rafael Ferro 241
Pinar del Rio.
USA 2400
Pinar del Rio. Julián Grimao. Carretera al
Lazareto, Pinar del
Rio.
USA 2400
Pinar del Rio. Entronque de
Herradura.
Carretera central
entronque de
Herradura.
USA 2310
Minas. Pons. Pons. Española. 20000
La Palma. INCLAN 43. Carretera central los
palacios.
USA. 2310
La Palma. La Baria. Km 5 Carretera La
Palma-San Andrés.
Española 18000
La Palma. La Jagua. Km 12 Carretera Española 10000
Viñales-La Palma.
Fuente: Larré, 2012.
1.4 Transformación de la biomasa forestal para su conversión en energía.
Debido la amplia gama y heterogeneidad en la naturaleza de las distintas formas de
biomasa forestal en sentido general, se hace necesaria la estandarización de las
características físicas de esta según la tecnología a emplear para su posterior
conversión a energía.
Básicamente esta transformación se basa en procesos de densificación y
compactación, así como el astillado y molienda con el objetivo de homogenizar el
material e incrementar el poder calórico con vistas a procesos de gasificación y
aprovechamiento energético (30).
1.4.1 Briquetas.
Según el diccionario de La Real Academia de la Lengua Española, Briqueta (Del
francés. briquette,) es un conglomerado de carbón u otra materia en forma de ladrillo
(11).
La briqueta es un biocombustible ecológico renovable que se utiliza para generar
calor, es un producto 100% ecológico y renovable, catalogado como biomasa sólida,
que viene en forma de cilindros o ladrillos compactos, plaquetas, prisma cuadrado o
prisma hexagonal hueco dependiendo el uso que se le fuese a dar. En la figura 4 se
puede observar ejemplos de diferentes tipos de briquetas.
Figura 4: Tipos de briquetas.
Fuente: http://tiendabiomasa.com/briqueta
El término "briqueta" es un término claro por un lado y confuso por otro. Es un
término claro porque una vez vista una briqueta no se puede confundir con otro
combustible, y es confuso, puesto que la briqueta puede estar fabricada con diversos
materiales compactados (desechos de biomasa). La materia prima de la briqueta
puede ser biomasa forestal, biomasa residual industrial, biomasa residual urbana,
carbón vegetal o simplemente una mezcla de todas ellas (11).
1.4.2 Composición de las briquetas.
Su composición está formada por la compactación de biomasa (lignocelulósica en la
mayor parte de los casos). La materia prima fundamental son las astillas y residuos
de madera. Según (Marcos, 1994) a veces, las briquetas están formadas por la
compactación de cualquier tipo de biomasa residual.
Ejemplo de esto pueden ser: madera, cascarilla de arroz, bagazo de caña, residuos
de pulpa de papel, cáscara de coco, residuos de algodón, cartón, carbón, entre otros.
Algunas se fabrican de desperdicios forestales tales como: el aserrín, la viruta, chips,
ramas, restos de poda, raleo fino, etc., estos mismos desperdicios son molidos,
secados a un 10% de humedad y luego se compactan por medios mecánicos (11).
Es importante destacar que las briquetas de aserrín poseen mayor poder calorífico
que la leña tradicional, encienden más rápido, no desprenden humos ni olores y su
uso evita la tala indiscriminada de árboles. En consecuencia, se puede plantear, que
las briquetas son un perfecto sustituyente de la leña con claras ventajas físico-
químicas-energéticas, por sus formas y características heredadas de la materia
prima de la cual está constituida (11).
Se constató también, que la briqueta más utilizada es la fabricada a base de aserrín,
también conocida como leñeta, la cual puede utilizar algún tipo de aglomerante, pero
debido a la humedad y la propia lignina de la madera éstas pueden funcionar como
adhesivo natural.
1.4.3 Forma, tamaño y color de las briquetas.
La forma de las briquetas puede ser muy variable y depende de la maquinaria
utilizada en su obtención. Sin embargo, casi todas las briquetas fabricadas en la
actualidad son de forma cilíndrica. Otra forma común de las briquetas es la de
sección octogonal con un hueco redondo en el centro, de esta manera se consigue
una ignición más rápida, esto puede resultar ventajoso o perjudicial (dependiendo del
objetivo buscado). Otra forma es la sección rectangular, ligeramente redondeada en
las cuatro esquinas para así no desintegrarse con los golpes. Este tipo de briqueta
arde más despacio, pero se almacena mucho mejor pues ocupan menos volumen a
igualdad de peso que el tipo cilíndrico o el de prisma octogonal hueco (12).
El tamaño de las briquetas varía dependiendo del uso que se le dará y la máquina
briquetadora que se usará para fabricarlas. La máquina define el grosor (ancho)
mientras que el productor definirá el largo de la briqueta.
El color de la briqueta es igual al del aserrín utilizado, aunque lo ideal y lo más
llamativo para los clientes es asemejar el color de la briqueta al de la leña para que
así en las chimeneas parezca que arda leña (12).
1.4.4 Densidad de las briquetas.
Otra de las características de la briqueta es que presenta mayor densidad que otros
combustibles elaborados a base de residuos maderables lo cual facilita su transporte,
manipulación y almacenamiento; resultando una ventaja al comparar las briquetas
con otros combustibles forestales.
El objetivo final del proceso de briquetado es obtener un producto de mayor densidad
que los productos iniciales. A mayor densidad la briqueta ocupa menos volumen (a
igualdad de peso) que la leña por lo tanto su manipulación será más sencilla (21).
Los factores que influyen en la densidad de la briqueta son de dos tipos:
La materia prima empleada. Cuanto mayor sea la densidad de la materia
prima mayor será la densidad del producto final. Si la materia prima es madera
debemos indicar que por lo general las maderas de las frondosas (encina,
robles, haya, castaño, entre otros) son más densas que las maderas de las
coníferas (pinos, abetos, cedros). Con la corteza ocurre algo parecido siendo
más densas las cortezas de frondosas que las de coníferas.
La presión ejercida por la prensa en el proceso de fabricación. Las presiones
de compactación son variables, dependiendo de la maquinaria empleada, a
mayor presión, mayor densidad lograda en el producto final.
Para determinar la densidad de la briqueta deben realizarse ensayos de laboratorio.
Una forma empírica para calcular el valor aproximado de la densidad de la briqueta
basta con evaluar la relación de su masa (en una balanza) y su volumen (cálculos
geométricos) (12).
1.4.5 Humedad de las briquetas.
La humedad de la briqueta es una función de la forma en que se suministra el
producto. El proceso de secado se puede realizar al aire libre o mediante un horno.
Para el proceso de briquetado que sufre la materia prima se suelen utilizar partículas
con una humedad menor del 12%, además, este proceso de prensado (briquetado)
quema un mínimo de humedad de las partículas; al final la humedad de la briqueta
resulta ser de 8 - 10% a la salida de la prensa. Posteriormente puede ocurrir que:
Si, las briquetas son envasadas en bolsas plásticas, ya no absorben humedad
del ambiente y su humedad sólo aumenta levemente debido al aire encerrado
en la bolsa plástica.
Si, las briquetas están al aire libre éstas pueden absorber humedad del
ambiente debido a que la madera es higroscópica1.Sin embargo durante el
proceso de briquetado se genera calentamiento en la superficie lateral exterior
que produce un baquelizado en la briqueta. Este proceso origina que en el
exterior de la briqueta aparezca una fina “película plástica”, de color más o
menos negruzco, que impide la absorción de humedad al interior del producto.
Esta característica es importante debido a que el poder calorífico de cualquier
biocombustible forestal disminuye al aumentar la humedad del mismo (15).
1.4.6 Poder calorífico de las briquetas.
Se entiende por poder calorífico la cantidad de energía desprendida por un Kg. de
combustible al quemarse. Es la característica fundamental de un combustible el cual
lo define como tal (16).
Altos poderes caloríficos indican buenos combustibles y bajos poderes caloríficos
señalan malos combustibles de ahí que el poder calorífico dependerá
fundamentalmente de la composición química del combustible (16).
Para el caso de las briquetas, el poder calorífico está en función del material del cual
está compuesto. Suponiendo que la briqueta está compuesta de madera sin aditivos,
entonces su poder calorífico será igual al de la madera que la conforma (11).
Si la briqueta incluye restos de lijado, según (Torres, 2008) el poder calorífico es
menor pues aparecen los áridos de la lijadora. Estos áridos también darán lugar a un
mayor porcentaje de cenizas en la combustión.
1.4.7 Aglutinantes que se utilizan en la fabricación de briquetas.
Los aglutinantes son sustancias que son capaces de generar fuerzas para unir
fragmentos de una o varias sustancias y dar cohesión al conjunto por métodos
físicos, químicos o térmicos. Poseen importancia en la industria y en la construcción
donde se necesite fiabilidad de las uniones, así como en la fabricación de briquetas
de material orgánico (biomasa).
1 Higroscópica: Dícese de las sustancias que absorben humedad del ambiente.
Los aglutinantes pueden clasificarse en: combustibles y no combustibles. Son
combustibles: las resinas naturales y sintéticas, alquitrán, estiércol animal, manteca,
aguas servidas, residuales o barro, gelatina, papel, restos y residuos de pescado,
algas y almidones, etc. Entre los no combustibles se tiene: limo, arcilla, barro,
cemento, cal, etc. (14).
De los aglutinantes, no todos son adecuados para la fabricación de briquetas
combustibles por diversos componentes. Generalmente entre los más comunes para
este fin se encuentran:
Almidones de yuca, maíz, arroz.
Resinas.
Melaza.
Parafina.
Arcillas.
Alquitrán.
En la briqueta la misión del aglutinante es mantener unidas las partículas durante su
secado, almacenamiento y posterior uso sin presentar problemas de
desmenuzamiento (14).
1.5 Máquinas briquetadoras.
Durante el proceso de briquetado se generan mecánicamente elevadas presiones
que provocan un incremento térmico; esta temperatura origina la plastificación de la
lignina que actúa como elemento aglomerante de las partículas de madera, por lo
que no es necesaria la adición de productos aglomerantes (resinas, ceras).
Los equipos de briquetado, en general, constan de: tolva alimentadora, sistema de
dosificación simple o múltiple de velocidad regulable, cámara de compactación o
densificación, canal de enfriado y sistema de corte para dar la longitud definitiva
deseada. (16)
1.5.1 Briquetadora de pistón (densificación por impacto).
Esta tecnología utiliza un pistón dentro de un cilindro que comprime la materia prima
contra una placa o matriz, que tiene un orificio con el perfil de la sección final de la
briqueta que se desea obtener; es un método alternativo que puede ser alimentado
por gravedad o por medio de un tornillo alimentador o un pistón de alimentación.
Debido a las características del mismo permite su utilización con tamaños de
partículas más grandes y heterogéneas, imposibles de utilizar en otros métodos,
haciéndolo muy popular y al igual que el sistema de tornillo, permite la confección de
briquetas huecas, las que poseen mayor facilidad para su combustión. (17)
1.5.2 Briquetadora de tornillo (densificación por extrusión).
Se trata de un sistema basado en la presión ejercida sobre la biomasa por un tornillo
sinfín especial, que gira con velocidad variable, haciendo avanzar el material hasta
una cámara que se estrecha progresivamente (forma cónica). Este equipo permite
producir briquetas con orificios interiores que favorecen su combustión. Mediante
sistemas de extrusión es posible obtener briquetas de mayor densidad que con los
sistemas por impacto. (3) (16)
1.5.3 Briquetadoras hidráulicas o neumáticas.
En estas máquinas la presión es producida por la acción de uno o varios pistones
operados mediante sistemas hidráulicos o neumáticos. Estas máquinas se suelen
utilizar cuando se manejan residuos de muy mala calidad, o están húmedos y no se
requiere una gran calidad de la briqueta final. (3) (16)
1.5.4 Briquetadora de rodillos.
Se trata de máquinas dotadas de 2 rodillos cuya superficie tiene una serie de rebajes
donde se deposita el producto a compactar que queda densificado al ser sometido a
la acción del otro rodillo, se utiliza generalmente en polvos secos como el carbón o el
aserrín controlando el grado de humedad. Se suelen utilizar cuando no se requieren
elevadas densidades finales. La forma de la briqueta depende de las matrices
empleadas. (17)
1.5.5 Briquetadora por compresión manual.
Éste método artesanal permite la utilización de material de biomasa no solo seca,
sino también con alto contenido de humedad, de hecho, muchas veces se moja la
materia prima para conseguir una mayor aglutinación y cohesión en el producto final.
Se utiliza un cilindro u otra forma geométrica, que puede ser múltiplemente perforado
para permitir la salida del exceso de humedad, esto permite obtener una pasta
compacta húmeda que se extrae y se deja secar al sol. Cuando secan,
aproximadamente en dos o tres días, estas briquetas pueden ser utilizadas como
combustible. (17)
1.6 Mercado de las briquetas.
Las briquetas y pellets son fabricadas y comercializados, principalmente, en Europa,
Norteamérica y algunos países de Suramérica como Argentina, Uruguay, Paraguay,
Chile y Brasil; lugares en los que esta industria ha logrado un desarrollo importante
estimulado por sus consumos internos. La Comunidad Europea, ha dado gran
importancia y ha estimulado, durante los últimos 15 años, el consumo de briquetas y
los beneficios que ofrecen como energía renovable en la industria y el hogar.
Paralelamente, otros sectores que las demandan, alrededor del mundo, son las
empresas que necesitan en sus equipos de producción, importantes cantidades de
calor para alimentarlos, como las fábricas de ladrillo, cemento, cal, metales, vidrio,
entre otras (30).
A nivel mundial, el mercado de briquetas las comercializa en diferentes formas y
dimensiones. En Europa, como en Norteamérica es frecuente conseguirlas de forma
cilíndrica; de prisma hexagonal; en forma octogonal (esta tiene la característica
especial de tener un orificio para acelerar su combustión); y de forma rectangular,
con sus cuatro esquinas redondeadas, estas últimas tienen también la ventaja de
arder más despacio, razón por la cual son las más vendidas para uso casero,
específicamente, al sur de América.
Según la revisión bibliográfica consultada para la realización de este trabajo existe
una amplia variedad de briquetas de diferentes marcas, tales como las RUF,
OLIVER, Bonaleña, entre otras destacadas, marcas que se comercializan junto a la
producción de pellets principalmente en Europa, países nórdicos, EEUU y Asia (30).
Figura 5. Principales consumidores de pellets y briquetas en 2011.
Fuente: Govan (2012).
1.6.1 Calidad de las briquetas.
En algunos países de Europa existe normativa específica para briquetas fabricadas a
partir de biomasa. Puede destacarse la norma O- Norm M1735 en Austria, la norma
SS 187121 en Suecia y la norma DIN 51731 en Alemania.
Con esto las briquetas pueden ser caracterizadas desde el punto de vista químico y
físico, definiéndose una serie de categorías dentro de los parámetros tales como el
origen, las dimensiones, la humedad, contenido de ceniza, el contenido de azufre y
nitrógeno, la densidad de partículas y el porcentaje de aditivos añadidos (10).
CAPÍTULO II. MATERIALES Y MÉTODOS.
2.1 Aspectos metodológicos.
La presente investigación se basa en los métodos y procedimientos fundamentales
para investigaciones científicas. Se inició con un levantamiento bibliográfico que
sirvió para elaborar un referencial teórico adecuado concluyéndose que, con la
obtención de briquetas a partir de residuos provenientes de la biomasa de la EAF
Macurije, se podrá generar energía renovable y contribuir a la protección del medio
ambiente.
El tipo de investigación utilizada es de tipo descriptivo, el cual consiste en un estudio
de campo y documental experimental, pues de acuerdo al ambiente del estudio y a
las fuentes utilizadas, la investigación se basó en datos recolectados sin intervenir en
los eventos estudiados, así como en trabajos realizados por otros investigadores
hallados en fuentes secundarias y publicadas por diversos especialistas en la
temática.
.2.2. Análisis del aserrín y corteza de Pinus Caribaea Morelet var caribaea para
su tratamiento como materia prima.
Puesto que en la mayor parte de la materia prima se dificulta su compactación de
forma directa, es necesario que las partículas del material tengan un tamaño
adecuado, que permita una adecuada ubicación de las partículas entre los
intersticios de la estructura, obteniéndose una mejor compactación y acabado de la
briqueta.
La materia prima (aserrín y corteza de pino) en su composición presenta diferente
tamaño de partícula y diferente porciento de humedad, por lo que se realizó un
análisis granulométrico de las partículas utilizando un tamizador.
Todas las medidas de peso fueron realizadas en una balanza técnica Sartorius
ubicada en el laboratorio de química de la Universidad de Pinar del Río. Para la
determinación del contenido de humedad se tomaron muestras de 600 g que
posteriormente fueron secadas en una estufa modelo MLW Alemana a una
temperatura de 100 2 ºC durante un periodo de 4 horas hasta obtener una masa
constante según la norma TAPPI T12-os-75. Se utilizaron materiales como bandeja,
desecadora y balanza analítica (0.001g de precisión).
El porciento de humedad de la materia prima se calculó de acuerdo con la siguiente
expresión:
(Ec. 1)
Dónde:
A: masa de la muestra húmeda.
B: masa de la muestra seca.
Figura 7. Determinación del contenido de humedad de la materia prima.
Fuente: Propia.
2.2.1 Análisis granulométrico.
El análisis granulométrico se desarrolló en los laboratorios de investigaciones
químicas de la Universidad de Pinar del Rio con el objetivo de determinar el tamaño
de las partículas para su utilización en la elaboración de las briquetas. El ensayo se
realizó mediante el método de tamizado a partir de una muestra de 200 g de aserrín
y corteza previamente triturada en un molino de martillo. Se utilizó la serie de tamices
Tyler la cual establece dimensiones 2,362 mm hasta 0,038 mm.
a) b)
Figura 8. Tamizado del aserrín y la corteza.
Fuente: Propia.
2.3. Análisis químico inmediato del aserrín y la corteza.
Cenizas.
Para la determinación del porcentaje de cenizas se pesaron en cada crisol 2 gramos
de aserrín y corteza por separados, luego se introdujo en una mufla eléctrica (figura
16) a una temperatura de 600 ºC durante 3 horas, hasta su incineración total, esto se
comprobó observando el color blancuzco de las cenizas. Después se colocó en la
desecadora y se dejó enfriar por 30 minutos. Seguidamente se determinó el peso de
cada crisol con las cenizas. El contenido de cenizas se determinó mediante la
siguiente formula:
(Ec. 2)
Dónde:
: Ceniza de la muestra.
: Peso del crisol destapado limpio.
: Masa de la muestra más el crisol.
: Peso del crisol después de la incineración
Volátiles y Carbono fijo.
Para determinar la materia volátil se eligieron las muestras, las cuales fueron
secadas y homogeneizadas. Se pesaron 2 gramos de cada muestra y se colocó
dentro de un crisol de peso conocido. El crisol fue puesto en la mufla cuyo
termómetro alcanzó una temperatura de 700 ºC y se dejó por un espacio de 15
minutos. Después de haber cumplido el tiempo se retiró el crisol y se colocó en una
desecadora, dejando enfriar por 30 minutos. Para tal efecto se calculó según la
fórmula siguiente:
(Ec. 3)
Dónde:
: Materia volátil de la muestra.
: Peso del crisol destapado limpio.
: Masa de la muestra más el crisol.
: Peso del crisol después de la incineración.
Cálculo del porcentaje de carbono fijo.
El cálculo del carbono fijo se determinó utilizando la formula siguiente:
= 100 – ( + ) (Ec. 4)
Dónde:
: Contenido de carbono fijo expresado en porcentaje.
: Contenido de materia volátil expresado en porcentaje.
: Contenido de cenizas expresado en porcentaje.
2.3.1 Aglutinante empleado.
Con el objetivo de obtener briquetas de forma artesanal para su estudio como
biocombustible se utilizó un aglutinante en la unión de las partículas, ya que no se
contaba con una máquina para aplicar una presión constante a lo largo de todas las
fases de producción. El aglutinante utilizado fue obtenido a partir de los residuos del
tratamiento de la resina de Pinus Caribaea en la Planta procesadora ubicada en la
zona industrial Siete Matas del municipio de Pinar del Rio, el cual presenta
propiedades favorables para su empleo como agente de unión entre las partículas de
la materia prima.
Figura 9. Recogida del aglutinante.
Fuente: Propia.
Tabla 2. Calidad de la resina de Pinus caribaea.
Muestra Indicadores de calidad
Resina
Índice
Acidez
Índice de
saponificación
Material
insaponificable
Humedad
(%)
Impurezas
(%)
140-145 144 - 148 37 2,1- 3,4 0,2 -12
Fuente: Pastor, (1999).
2.4 Procedimiento empleado en la fabricación de las briquetas.
El procedimiento utilizado en la fabricación de briquetas se realizó a través del
proceso que se muestra en la figura 10 el cual está conformado por cinco etapas.
Recolección y tratamiento de la materia prima
Figura 10. Proceso utilizado en la fabricación de briquetas.
Fuente: Elaboración propia del autor.
A continuación, se explica detalladamente el procedimiento seguido en cada una de
las etapas del proceso elaborado para la obtención de briquetas a nivel de
laboratorio a partir de los residuos madereros del aserradero de la EAF Macurije.
2.4.1 Recolección y tratamiento de la materia prima en la fabricación de
briquetas.
Los materiales utilizados para la obtención de las briquetas fueron: aserrín, corteza
de pino y aglutinante. El aserrín, corteza de pino se recolectaron de la EAF Macurije
y el aglutinante utilizado, (que constituye un residuo del proceso de destilación de la
resina de pino), fue obtenido en la planta de destilación de resina de pino, enclavada
en el complejo industrial Siete Matas, Pinar del Río.
En este paso, como su nombre lo indica, se recolectó la materia prima proveniente
del vertedero del aserradero de la empresa. El aserrín y la corteza de pino
recolectada presentan diferente composición, tamaño de partícula y porcentaje de
humedad.
Fue necesario separar la corteza de pino y someterla a un proceso de triturado
mediante un molino para lograr obtener un producto uniforme con menor tamaño de
partículas. En la figura 11 se puede observar el molino utilizado en este proceso.
Elaboración de la mezcla
Fabricación de briquetas
Proceso de secado
Análisis químico inmediato y pruebas físico- mecánicas
mecánica
Figura 11: Molino criollo utilizado en la trituración de la corteza.
Fuente: Elaboración propia del autor.
Una vez molida esta, se realizó el análisis granulométrico a partir de una muestra de
100 g de aserrín y corteza con un tamaño de partículas que varía desde 1.25 mm
hasta 0.1mm, para asegurar un producto homogéneo que preserve sus
características. (ver figura 8).
2.4.2 Elaboración de la mezcla.
El siguiente paso en el proceso lo constituyó, la elaboración de la mezcla. Se
elaboraron tres tipos de mezclas con el fin de escoger aquella que poseyera la
composición óptima para la fabricación de briquetas.
Para la preparación de la mezcla se utilizó un recipiente de plástico movible para
facilitar su posterior vertido en el prototipo de la máquina briquetadora a escala de
laboratorio. La mezcla se obtuvo de forma manual para obtener un mezclado
uniforme y con una mejor adhesión entre los residuos. Posteriormente se realizó el
prensado lográndose una densificación y compactación mayor de la mezcla obtenida,
mejorando así, sus características físicas y mecánicas.
2.4.3 Diseño y Fabricación del dispositivo de briquetado a escala de
laboratorio.
Para ello se desarrolló un conjunto de fases que señalaron los procedimientos,
conceptos y principios básicos necesarios para llevar a cabo los cálculos
preliminares y detallados del prototipo.
En este trabajo se presenta el diseño conceptual de un sistema para fabricar
briquetas de Pinus caribaea (aserrín y corteza), con similares características en
peso, volumen y densidad, con el objetivo de su estudio en condiciones de
laboratorio, para su posterior aprovechamiento energético.
Operación de diseño y torneado. Secuencia detallada del procedimiento.
Para el dispositivo de fabricación de briquetas se utilizó el software AutoCAD
Inventor Suite 2014, después se pasó a la construcción del prototipo artesanal
Primero se elaboró la base con una plancha rectangular de acero 45 con
dimensiones 25x0,9x 20 cm la cual se recortó en una sección circular para trabajar
sobre ella, luego se montó en un torno C11MT con el que se le realizó un refrentado2
con una cuchilla MK30 desde un diámetro Ø17,5 cm hasta Ø12 cm con una
profundidad de 0,45 cm, esta base consta de un agujero en el centro de diámetro
Ø1,6 cm en el cual se le soldó una varilla maciza de acero 45 de un diámetro Ø1,6
cm y 27,5 cm de largo. Posteriormente se le incorporaron dos varillas de acero 45
con las mismas dimensiones con el objetivo de obtener una briqueta con tres
agujeros para comparar su resistencia mecánica.
Para el cuerpo de sección circular del equipo se utilizó una camisa de motor Kamaz
de hierro fundido de diámetro Ø12 cm y una altura de 22,2 cm en el cual se le
introdujo una pieza para aplicarle presión a la mezcla, esta pieza de acero 45 y
sección circular de diámetro Ø12 cm con un espesor de 0,65 cm, consta de 7
agujeros distribuidos a través de la sección con diámetros Ø0,6 cm para que permita
la liberación del aire atrapado dentro, un tubo hueco de 17,5 cm de altura con
diámetro exterior Ø3,4 cm, donde posteriormente se le agregaron dos agujeros de la
misma medida con el objetivo de obtener una briqueta con tres agujeros para
comparar su resistencia mecánica.
Todos los cuales se unieron mediante la soldadura por arco eléctrico utilizando un
electrodo de marcación E6013 para su posterior utilización (ver anexo 2).
2 Paso tecnológico que se realiza en un torno con el objetivo de maquinar una pieza o metal.
Figura 12. Dispositivo empleado para la fabricación de las briquetas.
Fuente: Propia.
2.4.4 Experimentación.
En las tablas 3, 4, 5 y 6 se puede observar la composición de la mezcla a utilizar en
la fabricación de briquetas en este estudio. De ahí que en este estudio se realizan
cuatro experimentos.
Se realizaron diferentes muestras pretendiendo realizar una comparativa para
determinar cuál porcentaje es óptimo para la elaboración de las briquetas, así mismo
se establecen tres tipos de muestras para su análisis las cuales se muestran en las
tablas a continuación.
Briquetas tipo I: Briquetas 100 % aserrín.
Briquetas tipo II: Briquetas 50 % aserrín y 50% corteza.
Briquetas tipo III: Briquetas 100 % corteza.
Tabla 3. Composición de las briquetas, experimento 1.
Briquetas de aserrín y corteza de Pino
Briqueta tipo I Briqueta tipo II Briqueta tipo III
Componentes Cantidad % Cantidad % Cantidad %
Aserrín 412 g 45,6 206 g 22,8
Corteza 206 g 22,8 412 g 45,6
Resina 92 ml 10,2 92 ml 10,2 92 ml 10,2
Agua 400 ml 44,2 400 ml 44,2 400 ml 44,2
Subtotal 904 100 904 100 904 100
Tabla 4. Composición de las briquetas, experimento 2.
Tipos de Briquetas de aserrín y corteza de Pino
Briqueta tipo I Briqueta tipo II Briqueta tipo III
Componentes Cantidad % Cantidad % Cantidad %
Aserrín 412 g 41,4 206 g 20,7
Corteza 206 g 20,7 412 g 41,4
Resina 184 ml 18,5 184 ml 18,5 184 ml 18,5
Agua 400 ml 40,1 400 ml 40,1 400 ml 40,1
Subtotal 996 100 996 100 996 100
Tabla 5. Composición de las briquetas, experimento 3.
Tipos de Briquetas de aserrín y corteza de Pino
Briqueta tipo I Briqueta tipo II Briqueta tipo III
Componentes Cantidad % Cantidad % Cantidad %
Aserrín 412 g 44,1 206 g 22,1
Corteza 206 g 22,1 412 g 44,1
Resina 323 ml 34,5 323 ml 34,5 323 ml 34,5
Agua 200 ml 21,4 200 ml 21,4 200 ml 21,4
Subtotal 935 100 935 100 935 100
Tabla 6. Composición de las briquetas, experimento 4.
Tipos de Briquetas de aserrín y corteza de Pino
Briqueta tipo I Briqueta tipo II Briqueta tipo III
Componentes Cantidad % Cantidad % Cantidad %
Aserrín 412 g 51,8 206 g 25,9
Corteza 206 g 25,9 412 g 51,8
Resina 184 ml 23,1 184 ml 23,1 184 ml 23,1
Agua 200 ml 25,1 200 ml 25,1 200 ml 25,1
Subtotal 796 100 796 100 796 100
Fuente: Propia.
2.4.5 Presión aplicada a las briquetas.
Para medir la presión en el proceso de prensado de la mezcla aglutinante-aserrín, se
utilizó una prensa hidráulica Ravaglioli s. p. a. modelo Px/30 de procedencia italiana
la cual nos ofreció datos exactos de medición ver figura 13.
Figura 13. Prensa empleada para medir la presión.
Fuente: Propia.
2.4.6 Proceso de secado.
Existen varios métodos de secado de las briquetas como son: con horno eléctrico, secado solar, o por secado natural.
Las briquetas fueron secadas por convección libre (a la intemperie) (ver figura 13 b),
durante 8 días de intenso sol. También se realizó un secado artificial con humedad
controlada (ver figura 14 a) a temperaturas que varían desde 120 ºC hasta 160 ºC,
durante tiempos de exposición de 15 min y 10 min respectivamente. Este
procedimiento se llevó a cabo en una estufa eléctrica modelo MLW Alemana ubicada
en el laboratorio de fundición de la Universidad de Pinar del Rio.
Después de realizarle este tratamiento se le dio un tiempo de secado de 8 días más.
a) b)
Figura 14. (a) Secado de las briquetas. (b) Secado de briquetas por convección.
Fuente: Elaboración propia del autor.
2.5 Análisis químico inmediato, pruebas físicas y de resistencia mecánica.
Las pruebas se realizaron a escala de laboratorio, lo que constituye la unidad
primaria de investigación en la que quedan determinadas las metódicas de síntesis o
procesamiento y se establecen las condiciones bajo las cuales se obtienen los
mejores resultados.
El laboratorio confirma o rechaza las hipótesis obtenidas del conocimiento previo y
de la literatura y se obtienen datos que contribuyen a enriquecer la información
sistematizada, que constituye la base para el trabajo a escala de banco y/o planta
piloto. Además, se obtiene información para la realización de evaluaciones
económicas preliminares y se determinan diversas propiedades físico-químicas,
necesarias para los cálculos ingenieriles y la formulación y comprobación de modelos
matemáticos.
Para llevar a cabo todos estos ensayos previamente se calentaron los crisoles en el
horno, se dejó enfriar en un desecador y después se realizaron los ensayos.
2.5.1 Determinación del contenido de humedad de las briquetas.
Para determinación de la humedad se tomaron 3 crisoles limpios y destapados, se
etiquetaron y se pesaron. Se tomó la muestra de cada briqueta y se pesaron en cada
crisol unos 2 gramos (empleando para ello una balanza técnica Sartorius) y se anotó
la cantidad exacta que se pesó. Se introdujo los crisoles en una estufa marca AISET
modelo YLD-6000 (figura 15) a 105 ºC durante 4 horas. Una vez pasado este tiempo
se sacaron los crisoles de la estufa, se dejaron enfriar en el desecador durante 30
minutos y luego se pesaron nuevamente.
El contenido de humedad de las muestras fue obtenido por la ecuación 1.
Figura 15. Estufa marca AISET modelo YLD-6000.
Fuente: Elaboración propia del autor.
2.5.2 Determinación de la densidad de las briquetas.
La densidad de las briquetas es un factor característico de este producto, pues
optimiza el almacenamiento y transporte del material al requerir menos espacio. La
densidad de la briqueta dependerá de dos factores fundamentales:
Primero, la densidad de la materia prima empleada, a mayor densidad en el aserrín
mayor será la masa de briqueta por unidad de volumen.
Segundo, la etapa de briquetado, a mayor presión ejercida por la máquina
briquetadora mayor cantidad de materia compactada por unidad de volumen se
obtendrá.
Para determinar la densidad de las briquetas se utilizó la ecuación:
(Ec. 5)
Dónde:
: Densidad de las briquetas.
: Masa de la muestra.
: Volumen de la muestra.
El volumen de las muestras se determinó como:
(Ec. 6)
Dónde:
: Radio de la muestra.
: Altura de la muestra.
2.5.4 Determinación del contenido de ceniza.
Para la determinación del porcentaje de cenizas se tomaron 3 crisoles destapados,
se etiquetaron y se pesaron. Se tomó la muestra de las briquetas y se pesaron en
cada crisol unos 2 gramos, luego se introdujo en una mufla eléctrica (figura 16) a una
temperatura de 600 ºC durante 3 horas, hasta su incineración total, esto se comprobó
observando el color blancuzco de las cenizas. Después se colocó en la desecadora y
se dejó enfriar por 30 minutos. Seguidamente se determinó el peso de cada crisol
con las cenizas. El contenido de cenizas se determinó mediante la siguiente formula:
(Ec. 2)
Dónde:
: Ceniza de la muestra.
: Peso del crisol destapado limpio.
: Masa de la muestra más el crisol.
: Peso del crisol después de la incineración.
Figura 16. Mufla eléctrica.
Fuente: Propia.
2.5.5 Determinación del contenido de materia volátil y carbono fijo.
Para determinar la materia volátil se deben elegir muestras, las cuales deben ser
secadas y homogeneizadas. Se pesaron 2 gramos de cada muestra y se colocó
dentro de un crisol de peso conocido. El crisol fue puesto en la mufla cuyo
termómetro alcanzó una temperatura de 700 ºC, y se dejó por un espacio de 15
minutos. Después de haber cumplido el tiempo se retiró el crisol y se colocó en una
desecadora, dejando enfriar por 30 minutos. Para tal efecto se calcula con la
siguiente fórmula:
(Ec. 3)
Dónde:
: Materia volátil de la muestra.
: Peso del crisol destapado limpio.
: Masa de la muestra más el crisol.
: Peso del crisol después de la incineración.
El cálculo del porcentaje del carbono fijo se determinó utilizando la formula siguiente:
= 100 – ( + ) (Ec. 4)
Dónde:
: Contenido de carbono fijo expresado en porcentaje.
: Contenido de materia volátil expresado en porcentaje.
: Contenido de cenizas expresado en porcentaje.
2.5.6 Ecuación para el cálculo del poder calórico en función del análisis
inmediato.
Para establecer una ecuación que relacione el poder calórico con el carbono fijo y la
materia volátil se consultó el informe: Estudio del potencial energético de biomasa
Pinus caribaea Morelet var Caribaea de la provincia de Pinar del Río, de los autores,
Márquez Montesino, Cordero Alcántara y Rodríguez Jiménez dónde establece la
ecuación para determinar el poder calórico a través de un análisis de regresión lineal
múltiple, donde la validez de la regresión está dada por el valor R2 = 0.999, esta
misma ecuación fue consultada también en el artículo Fabricación de briquetas con
aserrín blanco de pino. Análisis inmediato y obtención de su poder calórico:
HV= 0.3563Cf + 0.1755Mv (Ec. 7)
Dónde:
Hv: Representa el poder calórico en Kj/g-1
Cf: Es el porcentaje en carbono fijo.
Mv: Es el porcentaje de materia volátil.
Estos son expresados ambos sobre base seca.
2.5.7 Determinación del pH en los residuos de ceniza.
La determinación del pH se hace con el objetivo de conocer qué grado de acidez
presentan los residuos, en dependencia de este resultado se podrían utilizar o no
como fertilizante.
Para ello se disolvieron 40 ml de agua en cada muestra de cenizas, luego se agitaron
durante 30 minutos en un agitador marca IKA RET basic C. (figura 17), una vez
disuelto se utilizó el equipo HANNA Instruments Microprocessor pH Meter, para
determinar el pH de la sustancia.
Figura 17. Agitador marca IKA RET basic C y HANNA Instruments Microprocessor
pH Meter, para determinar el pH.
Fuente: Propia del autor.
2.6 Prueba de resistencia mecánica, compresión.
La resistencia mecánica de las briquetas está estrechamente relacionada al proceso
de producción, los parámetros que más inciden en este aspecto son: los
componentes de la materia prima, el contenido de humedad, tamaño de partícula, la
adición de aglutinantes, la mezcla de materias primas, y el equipo de densificación.
Las fuerzas que causan daños a las briquetas durante la manipulación, el transporte
y el almacenamiento, se pueden dividir en tres clases generales: compresión
(aplastamiento), impacto (rotura), y de cizallamiento (abrasión) (13).
La prueba de dureza o resistencia a la compresión, se realizó con briquetas
individuales tomadas de cada experimento, colocadas entre dos placas paralelas con
áreas mayores que el área proyectada de la briqueta.
Un aumento de la carga se aplicó a una tasa constante hasta que el espécimen de
prueba falló por craqueo o frenado, según la Norma Cubana (NC 318. 2015), para
ello se utilizó una prensa hidráulica P-10 de diez toneladas de fabricación Rusa
(figura 18), ubicada en el laboratorio UIC de investigaciones para la construcción en
Pinar del Río (24).
Figura 18. Prensa hidráulica P-10 de fabricación Rusa.
Fuente: Propia.
Para la determinación de la resistencia se utilizó la siguiente ecuación:
(Ec. 8)
Dónde:
: Resistencia
: Carga dinámica
: Área de la sección
2.6.1 Pruebas de impacto.
Las pruebas de impacto se utilizan en ingeniería para estudiar la tenacidad de un
material, y esta pertenece al grupo de pruebas mecánicas dinámicas, es por eso que
en la concepción de este trabajo también se comprobará la resistencia al impacto de
las briquetas fabricadas.
Para la realización de esta prueba se colocaron cada una de las briquetas fabricadas
en un equipo JB-300B Impact Testing Machine de fabricación China ubicado en el
laboratorio de mediciones técnicas de la Universidad de Pinar del Río.
Figura 19. Dispositivo JB-300B Impact Testing Machine.
Fuente: Propia.
2.6.2 Determinación de la conductividad térmica.
Para la realización de esta prueba fue necesaria la fabricación de pequeños
prototipos que cumplieran con las dimensiones requeridas por el equipo empleado.
La conductividad térmica de las muestras en estudio, se determinaron ajustando los
datos de temperatura tomados durante el tiempo de calentamiento, y durante el
enfriamiento según las instrucciones del equipo utilizado. Dichas pruebas se
realizaron mediante un equipo FD-TC-B Apparatus For Determining Thermal
Conductivity (figura 20).
Figura 20. FD-TC-B Apparatus for Determining Thermal Conductivity.
Fuente: Propia.
Para esta prueba se emplea la siguiente formula.
(Ec. 9)
Dónde:
: Conductividad térmica.
: Masa de la muestra.
: Capacidad térmica específica del disco disipante.
: Velocidad de enfriamiento.
: Diámetro del disco disipante.
: Espesor del disco disipante.
: Grosor de la muestra.
: Diámetro de la briqueta.
: Temperatura del disco calentador.
: Temperatura del disco disipante.
2.7 Obtención de la briqueta tipo II con mejoras estructurales.
Una vez que se seleccionó a través de los experimentos realizados la briqueta que
presentó mejores propiedades Químicas, Físicas y Mecánicas, se fabricó un nuevo
tipo de briqueta empleando las mismas mezclas, proporciones y materia prima
empleada en la confección de la briqueta tipo II.
Esto se realizó con el objetivo de comparar las variables de compresión e impacto en
este nuevo producto mediante los métodos antes abordados en esta investigación.
Figura 21. Briqueta tipo II con mejoras estructurales.
Fuente: Propia.
CAPÍTULO III. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS
En el presente capítulo se presentan los resultados obtenidos en el estudio y
caracterización de las briquetas echas, se presenta además en el capítulo, el aporte
económico y ambiental que se podría obtener a partir del uso de las briquetas
producidas de los residuos arrojados en el vertedero de la EAF Macurije de la
provincia de Pinar del Río.
3.1 Tratamiento de la materia prima.
A través del tratamiento realizado en los ensayos de laboratorio se determinó el
contenido de humedad inicial del aserrín y la corteza, además se determinaron los
valores de cenizas, volátiles y carbono fijo de la materia prima en su estado inicial
antes de la experimentación, estos valores se observan en la tabla 7.
Tabla 7. Valores de humedad obtenidos de la materia prima.
Parámetros Aserrín. Corteza.
Humedad 41 % 19 %
Tamaño de partícula 1.25 mm 0.5 mm
Cenizas 10 % 25 %
Volátiles 72.7 % 71 %
Carbono fijo 17.3 % 4 %
Poder calórico (kJ/g) 18.92 13
Fuente: Propia.
Al colocar el aserrín y la corteza ya triturada en el tamizador se obtuvo que la mayor
parte de las partículas de aserrín entran dentro del rango de 1.25 mm, y la corteza en
un rango de 0.5 mm.
El residuo que queda del proceso de destilación de la resina de pino como
aglutinante es muy efectivo, ya que tras realizar las pruebas correspondientes se
pudo observar que este aditivo cumple con el objetivo deseado ya que queda un
producto homogéneo y compacto.
3.1.1 Análisis de la factibilidad técnica en el diseño del dispositivo de
briquetado.
La propuesta de procedimientos para la fabricación de los elementos que solucionan
el acabado final del dispositivo, permite la fabricación de las piezas con los requisitos
técnicos exigidos por la designación de servicio de las mismas (dimensiones,
tolerancias dimensionales, así como para la forma geométrica y posición y de
acabado superficial).
Los materiales fueron seleccionados considerando factores técnicos, de fabricación y
económicos, y pueden ser adquiridos por vía de la comercialización o a partir del
empleo de otro tipo de elemento en desuso que haya sido fabricado del mismo
material.
Figura . 21. Prototipo realizado con el software AutoCAD 2014.
Fuente: Elaboración propia del autor.
Para la fabricación se proponen máquinas herramientas universales, (torno de
cilindrar y roscar modelo C11MT y máquina taladradora de mesa), y calificación de
los operarios (tornero B), en ambos casos constituyen recursos con los que cuentan
diferentes entidades del territorio.
Según muestran los resultados que fueron obtenidos tales como: los valores de los
diferentes parámetros de corte (avances, velocidades de corte, número de
revoluciones por minuto) y los valores de potencia efectiva para el corte, constituyen
valores que técnicamente pueden ser obtenidos por el equipamiento seleccionado y
en todos los casos el valor de la potencia efectiva de corte, resulto inferior a la
potencia estática del electromotor de la máquina seleccionada, lo que corrobora la
posibilidad de realizar el proceso en la misma.
3.2 Comportamiento de las briquetas obtenidas en los 4 experimentos.
En las tablas 8, 9, 10 y 11 se presentan las dimensiones y parámetros obtenidos de
las briquetas a partir de los experimentos realizados.
Según las normas europeas DIN Plus y EN Plus, que son de las más extendidas a
nivel mundial, estas establecen condiciones y características para la elaboración de
briquetas por las cuales se rigen los fabricantes (14).
A partir de los resultados que muestran estas tablas se puede observar que los tres
tipos de briquetas obtenidas en los experimentos realizados se pueden fabricar a
mayor escala debido a que cumplen con parámetros establecidos como son: altura,
peso y diámetro.
Figura 22. Briquetas obtenidas.
Fuente: Elaboración propia del autor.
En cada uno de los casos se utilizó una presión de 76.5 a temperatura
ambiente.
Tabla 9. Resultados en el experimento 1.
Parámetro Briqueta tipo I Briqueta tipo II Briqueta tipo III
Humedad (%) 9.3 8.9 11.1
Densidad
(kg/cm3)
319.9 420.4 540.3
Porcentaje de 11 9 7
cenizas (%)
Materia volátil
(%)
87.8 90.4 92.5
Carbono fijo
(%)
1.2 0.6 0.5
pH en cenizas 7.86 8.39 8.17
Resistencia
mecánica a la
compresión
(kgf/cm2)
0.63 2.48 7.28
Resistencia
mecánica al
Impacto (J)
30 32 37
Conductividad
térmica (W/m
ºK)
0.06 0.053 0.065
Poder calórico
(kJ/g)
15.836 16.078 16.411
Altura (cm) 10,93 9 7,5
Diámetro (cm) 12,63 12,41 11,97
Densidad
(Kg/ ) 319.9 420.4 540.3
Peso
promedio (g) 433,49 452,69 450,69
Tabla 10. Resultados en el experimento 2.
Parámetro Briqueta tipo I Briqueta tipo II Briqueta tipo III
Humedad (%) 9.5 9 11.5
Densidad (kg/cm3) 347.6 459.8 613.1
Porcentaje de
cenizas (%)
8.5 5 7
Materia volátil (%) 90.6 94.5 92.1
Carbono fijo (%) 0.9 0.5 0.9
pH en cenizas 7.91 8.42 8.19
Resistencia
mecánica a la
compresión
(kgf/cm2)
0.61 2.41 6.81
Resistencia
mecánica al
Impacto (J)
31 34 38
Conductividad
térmica (W/m ºK)
0.067 0.063 0.08
Poder calórico
(kj/g-1)
16.223 16.762 16.484
Altura (cm) 11 9,35 7,45
Diámetro (cm) 12,85 12,57 12,38
Densidad (Kg/ ) 347.6 459.8 613.1
Peso promedio (g) 490,23 527,61 543,51
Tabla 11. Resultados en el experimento 3.
Parámetro Briqueta tipo I Briqueta tipo II Briqueta tipo III
Humedad (%) 9.4 8.9 11
Densidad (kg/cm3) 358.3 491.7 632.2
Porcentaje de
cenizas (%)
10.8 6.4 11.2
Materia volátil (%) 88.2 92.2 87
Carbono fijo (%) 1 1.4 1.8
pH en cenizas 7.98 8.54 8.26
Resistencia
mecánica a la
compresión
(kgf/cm2)
0.60 2.46 7.08
Resistencia
mecánica al
Impacto (J)
30 34 38
Conductividad
térmica (W/m ºK)
0.075 0.065 0.08
Poder calórico
(kj/g-1)
15.835 16.679 15.909
Altura (cm) 11,7 9,35 7,6
Diámetro (cm) 12,95 12,45 12,14
Densidad (Kg/ ) 358.3 491.7 632.2
Peso promedio (g) 546,18 553,37 g 549,59
Tabla 12. Resultados en el experimento 4.
Parámetro Briqueta tipo I Briqueta tipo II Briqueta tipo III
Humedad (%) 9.1 8.4 11.2
Densidad (kg/cm3) 345.3 463.7 637
Porcentaje de
cenizas (%)
10.5 6.5 7.4
Materia volátil (%) 88.4 93.1 91.5
Carbono fijo (%) 1.1 0.4 1.1
pH en cenizas 7.90 8.39 8.16
Resistencia
mecánica a la
compresión
(kgf/cm2)
0.63 2.52 7.37
Resistencia
mecánica al
Impacto (J)
32 38 40
Conductividad
térmica (W/m ºK)
0.065 0.06 0.075
Poder calórico
(kj/g-1)
15.906 16.481 16.450
Altura (cm) 11,05 9,3 7,4
Diámetro (cm) 12,67 12,29 11,9
Densidad (Kg/ ) 345.3 463.7 637
Peso promedio (g) 475,88 505,76 518,24
Fuente: Elaboración propia del autor.
3.2.1 Comparación de los resultados.
Contenido de humedad de las briquetas obtenidas.
Las diferencias del porcentaje de humedad eliminada en cada tipo de briqueta
corresponden a la diferencia en su composición de aglutinante, materia prima y agua.
En el gráfico 1 se puede observar una tendencia donde las briquetas elaboradas con
partículas de aserrín y corteza de pino presentaron menor contenido de humedad al
final del proceso de fabricación.
Sin embargo, todas las briquetas obtenidas presentaron contenido de humedad por
debajo del 12%.
Gráfico 1. Diferencia de humedad de las briquetas.
Fuente: Elaboración propia del autor.
Contenido de cenizas de las briquetas obtenidas.
La generación de cenizas presentadas en el gráfico 2 muestra que la ceniza de las
briquetas del experimento 3 es mayor que la ceniza de los restantes experimentos,
esto se puede explicar por alguna de las razones siguientes:
Las briquetas del experimento 3 poseen mayor proporción de aglutinante. Es decir,
la resina influye en que haya mayor cantidad de materia que sea aprovechada,
quedando mayor cantidad de cenizas.
Gráfico 2. Variación de la generación de cenizas en las briquetas.
Fuente: Elaboración propia del autor.
Contenido de materia volátil de las briquetas obtenidas.
El contenido de volátiles determinado para las briquetas indica que, dependiendo del
tipo, los volátiles pueden variar entre un 70 a 90%. Un alto contenido de volátiles
favorece la combustión a temperaturas más bajas, pues permite un encendido más
rápido, aunque conlleva una producción de humo más alta. En el gráfico 3, el
experimento que mayor contenido de volátiles presentó fue el 1, el cual posee la
menor cantidad de aglutinante y mayor contenido de agua. Con esto podemos decir
que a mayor cantidad de aglutinante menor es la materia volátil de la briqueta, y el
contenido de agua que está presente en los diferentes experimentos representa una
mínima influencia para la determinación de este parámetro.
Gráfico 3. Comparación del contenido de materia volátil en las briquetas.
Fuente: Elaboración propia del autor.
Contenido de carbono fijo de las briquetas obtenidas.
El carbono fijo que queda como resultado de la liberación de la materia volátil y
descontando la ceniza tuvo un porcentaje bajo, inferior al 15%, pues tanto el
contenido de volátiles como el contenido de carbono fijo, son las dos formas en que
se encuentra guardada la energía química de la biomasa (14).
El gráfico 4 muestra que el experimento de menor contenido de carbono fijo como se
pudo observar es el 1, ya que posee la menor cantidad de aglutinante influyendo en
el proceso de aprovechamiento de la combustión de la materia utilizada.
Gráfico 4. Variación del carbono fijo de las briquetas.
Fuente: Elaboración propia del autor.
pH de las briquetas obtenidas.
Desde el punto de vista químico, los análisis realizados a las muestras de cenizas
recogidas en cada una de las briquetas, como se muestran en el gráfico 5,
presentaban un pH ligeramente básico lo que nos brinda mayor información en
cuanto a los residuos que se obtienen.
Según (Márquez, 2001) el hecho de que las cenizas de Pinus tropicalis Morelet y
Pinus caribaea var Caribaea presentan contenidos importantes de nutrientes como
Potasio, Fósforo, Magnesio y Calcio, los cuales se encuentran en formas
relativamente solubles. Se puede decir que el potencial neutralizante expresado en
términos de equivalentes de CaCO3, varía entre el 25 % y el 100 %, por lo que es
posible su uso para corregir la acidez de suelos ácidos.
Asimismo, las cenizas se emplean en suelos forestales de carácter ácido puesto que
cantidades moderadas de estas cenizas pueden devolver al ecosistema gran parte
de los nutrientes extraídos durante el aprovechamiento forestal.
7,867,91
7,987,9
8,39 8,42
8,54
8,41
8,16 8,198,26
8,18
7,4
7,6
7,8
8
8,2
8,4
8,6
Experimento 1 Experimento 2 Experimento 3 Experimento 4
Co
nte
nid
o d
e p
H
Briquetas
pH de las cenizas
Briqueta tipo I
Briqueta tipo II
Briqueta tipo III
Gráfico 5. Diferencia del contenido de pH de las cenizas de las briquetas.
Fuente: Elaboración propia del autor.
Densidad de las briquetas obtenidas.
Las diferencias de la densidad son también resultado de la composición de cada tipo
de briqueta, similar al caso de la humedad. Por ello se encuentra una relación
inversamente proporcional entre estas variables. Es decir, mientras la briqueta de
determinado tipo elimine mayor humedad menor será su densidad.
Como se observa en el gráfico 6 la densidad aumentó a medida que se disminuyó el
tamaño de partícula. El tamaño de partícula fino (corteza de pino), tuvo en general
densidades más altas con respecto a la densidad de las partículas menos finas
(aserrín de pino). Esto se explica probablemente a que luego de la densificación, las
briquetas con tamaño de partículas menos fino, mostraron mayor recuperación
elástica, es decir, la longitud de las briquetas aumentó luego que se retirara la carga.
En este caso presentan mejor densidad las briquetas del experimento 3, en relación
con las demás comprobaciones, pero esto conlleva a que este experimento utilice
una mayor cantidad de aglutinante y agua en su composición y es un gasto que se
puede evitar.
Gráfico 6. Comparación de la densidad de cada tipo de briqueta.
Fuente: Elaboración propia del autor.
Conductividad térmica de las briquetas obtenidas.
En el gráfico 7 se muestran que estas briquetas poseen pequeña conductividad
térmica, comparadas con otros materiales de frecuente uso en el mundo de hoy, por
cual no son unos buenos conductores del calor. En este gráfico podemos observar
que, tras realizar un análisis de la conductividad térmica en función de la
concentración del agua y aglutinante, permite concluir que, al aumentar su
concentración, se incrementa este valor.
Gráfico 7. Análisis de la conductividad térmica de las briquetas.
Fuente: Elaboración propia del autor.
Resistencia mecánica a la compresión.
En el gráfico 8 se observa la resistencia a la compresión de las briquetas, a medida
que el tamaño de partícula disminuye presenta una mayor resistencia a la
compresión, situación que se ve reflejada en los tres tipos de briquetas. En contraste,
los tratamientos con menor resistencia a la compresión fueron aquellas briquetas
fabricadas con tamaño de partícula gruesa, independientemente de la presión
ejercida. Podemos decir que, a mayor cantidad de aglutinante, más fuerza se
requerirá para realizar una ruptura en ella; es decir, mayor cantidad de aglutinante
mayor fuerza en la ruptura.
Gráfico 8. Variabilidad de la resistencia mecánica de las briquetas.
Fuente: Elaboración propia del autor.
3.3 Comparación entre análisis inmediato de la materia prima y el análisis de
las briquetas.
La actual investigación se realizó en base a la evaluación de parámetros físicos,
químicos y mecánicos de las briquetas elaboradas con aserrín y corteza de pino, por
tanto, su importancia radica en los resultados obtenidos en las diferentes pruebas
realizadas para considerar a las briquetas como alternativa en la reducción del
combustible convencional y la leña como combustible, aprovechando así los residuos
forestales que no tienen un tratamiento adecuado en la EAF Macurije.
Como resultado de esto se estableció una comparación de las pruebas realizadas al
aserrín y la corteza en comparación con el producto final obtenido o sea las
briquetas, siendo las briquetas tipo II las que evidenciaron mejores características.
Tabla 13. Comparación del análisis inmediato antes y después de obtenido el
producto final.
Parámetros Aserrín Corteza Briqueta tipo II
Cenizas (C) 10 % 25% 6.5 %
Materia volátil (Mv) 72.7 % 71 % 93.1 %
Carbono fijo (Cf) 17.3 % 4 % 0.4 %
Humedad 41 % 19 % 8.4 %
Fuente: Elaboración propia del autor.
Con los resultados obtenidos podemos deducir que el material presenta
características favorables para uso energético.
El modo de empleo de las briquetas es similar al de la leña tradicional por lo que la
elaboración de briquetas favorece la limpieza y el cuidado del medioambiente al estar
fabricadas con residuos. Su elaboración favorece el desarrollo local y su uso reduce
la dependencia energética. Tenemos que decir que estas briquetas sirven sólo para
la generación de calor y electricidad.
3.4 Análisis económico.
Los planes de producción derivados de la resina en la entidad comercializadora son
muy variables, estos oscilan de 17 a 22 t mensuales según encuesta realizada a
directivos de la planta procesadora, debido a que el proceso de destilación es
complejo, debido a esto por cada tonelada destilada quedan 11,5 kg de residuo de
resina, lo que correspondería a 31 kg de briquetas fabricadas.
Es importante decir que la fabricación estas briquetas empleó una energía de
elaboración, al preparar la mezcla, al comprimirlas y secarlas. Teniendo esto en
cuenta se tiene que al fabricarlas se utilizó 0,62 kW/kg o 2,13 MJ/kg de energía, y al
producir estas briquetas tuvieron un costo de 0,33 CUC o 8,25 CUP, por cada kg.
Estas briquetas poseen un poder calórico superior a 4 200 kcal/kg lo que equivale a
aproximadamente 4,88 kW/h.
El mercado de briquetas es hoy una realidad a nivel mundial, estas briquetas aparte
de ser utilizadas como un biocombustible, también se comercializan en el mercado
internacional (ver tabla 14) en dependencia de su composición y fabricante. En la
actualidad la tonelada de este producto oscila de 385 € hasta 476 € según
búsquedas recientes realizadas en internet.
Tabla 14. Fabricantes de briquetas.
Fabricante Precio x
Unidades
Briquetas Oliver 3,85 €/10 kg
Briquetas RUF 5,2 €/12 kg
Briquetas Ecológicas 4,76 €/10 kg
Fuente: Elaboración propia del autor.
a) Briquetas fabricadas en china. b) Briquetas Oliver.
Figura 23. Ejemplo de marcas de briquetas comercializadas.
Fuente: http://tiendabiomasa.com/briqueta
La EAF Macurije tiene un consumo promedio mensual de 18 498 kW/h conectado al
sistema electro energético nacional, donde se emplea fuel oil como combustible, lo
cual equivale a 4 255 L de fuel oil que consumen mensualmente por concepto de
gasto de energía fósil.
Si se emplearan estas briquetas para producir energía se pudieran minimizar estos
gastos puesto que, descontando el costo de fabricación, 1 kg de briqueta puede
generar 4,26 kW/h de electricidad, esto puede generar un potencial eléctrico de 2
575 kW/h mensual y un ahorro de 592 L de combustible, lo cual satisface las
necesidades de la empresa en un 14 %, y esto equivale un ahorro de $592,25 de los
$4 254,54 que tienen que pagar mensualmente, lo que contribuiría a un ahorro
considerable de energía.
3.5 Impacto medioambiental
La valoración medioambiental es el análisis, previo a su ejecución, de las posibles
consecuencias de este proyecto sobre la salud ambiental, la integridad de los
ecosistemas y la calidad de los servicios ambientales que estos están en condiciones
de proporcionar. Este proyecto se fundamenta en una ideología ecológica por tal
motivo se ha reducido al mínimo los niveles de contaminación.
Al utilizar la materia prima, el aserrín y la corteza de pino, no representa ningún
riesgo ni daño al ecosistema, sino todo lo contrario, ya que con la utilización en la
elaboración de las briquetas se elimina otra fuente de contaminación del medio
ambiente, de no utilizarse en estas briquetas el aserrín y la corteza son tirados en un
vertedero y posteriormente enterrados sin ninguna utilidad.
Las emisiones de gases y partículas van a depender del peso del combustible, en
este caso de las briquetas que se usan durante toda la prueba. Es por eso que el
factor de emisión muestra la comparación real de las emisiones por unidad de peso.
El monóxido de carbono es un gas altamente tóxico para las personas, ya que al
entrar al torrente sanguíneo remplaza el oxígeno, y al no haber oxígeno en los
órganos estos empiezan a morir por intoxicación tanto de CO como de CO2. Esta se
produce por la combustión incompleta de los combustibles.
En general, el uso de la biomasa puede considerarse neutro en términos de
emisiones de CO2, puesto que el CO2 que las plantas absorben durante su
crecimiento será prácticamente el mismo al que emiten durante su combustión. Por
tanto, todo el CO2 emitido en el uso energético de la biomasa no contribuye al
incremento de su porcentaje en la atmósfera, ayudando a reducir el efecto
invernadero y a evitar el continuo cambio climático.
En la empresa se consume anualmente 221,97 MW/h de electricidad empleando fuel
oil, lo que equivale a un consumo de 51 053 kg de combustible, y el factor de emisión
del fuel oil según (Ponce Ceballos, 2009) es de 3,16 kgCO2/kg de combustible, por lo
que por concepto de consumo de electricidad en la empresa se emiten anualmente
161,33 t de CO2 a la atmósfera.
Al utilizar estas briquetas en la producción de energía en la empresa, reduciría las
emisiones de CO2 en un 64 %, ya que al quemar 1 kg de briqueta emite a la
atmósfera 1,13 kg de CO2 y las emisiones de CO2 en las briquetas fue de tres
gramos por cada 100 gramos de CO2 de briqueta quemada (27).
Es por ello que la utilización de briquetas es un aprovechamiento rentable que ofrece
la oportunidad al sector forestal de gestionar de manera sostenible todos los residuos
madereros los cuales constituyen un contaminante ambiental, y esto nos lleva a la
mejora de la gestión forestal para la prevención de daños, erosión, enfermedades e
incendios forestales. Por lo que este trabajo propone emplear los residuos de aserrín
y corteza de pino con un aglutinante, para la elaboración de briquetas, disminuyendo
los volúmenes de estos residuos en la empresa, utilizándolo como un biocombustible
densificado sólido en la producción de energía y de esta manera lograr darles un uso
a estos eliminando las montañas de aserrín.
En otros términos, este proyecto cumple con la función de un manejo racional y
consumo responsable de un producto que muchos lo describen como desechos,
incentivando de esta manera al reciclaje y valoración de los productos orgánicos
ricos en sus propiedades y que pueden ser utilizados de diversas maneras y en
diferentes áreas.
CONCLUSIONES.
Una vez concluido el proceso utilizado para la elaboración de briquetas como
biocombustible sólido a partir de residuos madereros de la EAF Macurije de Pinar del
Río se llega a las siguientes conclusiones:
El prototipo diseñado para la fabricación de briquetas, cumple el objetivo de
compactar o densificar las materias primas utilizadas.
La briqueta que presenta las mejores propiedades fisicoquímicas y mecánicas
es la briqueta obtenida a partir de la mezcla de aserrín y corteza con una
relación de 206 g de materia prima en sus dos formas y 200 ml de agua, o sea
la briqueta tipo II.
En 10 años se tendrá un aporte energético de 309 000 kW/h lo que equivale a
71 020 L de combustibles evitados, esto trae consigo un significativo aporte a
al país ya que este combustible puede ser destinado a otras labores
específicas.
Con la fabricación de estas briquetas ayudaría al país con el ahorro de
energía ya que esto es un biocombustible renovable y cumpliría con la política
trazada por el país por un desarrollo próspero y sostenible.
RECOMENDACIONES.
Incentivar investigaciones que fomenten el trabajo con esta clase de
materiales que causan problemas y son dejados en enormes pilas
dentro de la empresa maderera, pero que con un poco de ingenio se
pueden transformar en productos útiles a la industria.
Se sugiere como un nuevo tema de investigación, el diseño de una
máquina briquetadora de una forma automática de tal manera que la
misma pueda producir diferentes cantidades dentro del rango de tiempo
que se necesite y también que produzca briquetas de diferentes masas
según se requiera.
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Fuente: Elaboración propia del autor.
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