Servicios personalizados
Español (pdf)
Articulo en XML
Referencias del artículo
Enviar articulo por email
Citado por SciELO 
Similares en
SciELO 
Permalink
Introducción
A mediados del siglo XIX, los combustibles provenientes de la biomasa cubrían la demanda energética de la sociedad; siendo sustituidos por los combustibles fósiles posteriormente, en la era de la industrialización.1 El carácter no renovable de estos últimos, unido a la contaminación atmosférica que generan, han impulsado el desarrollo de procesos que utilicen fuentes renovables como materia prima fundamental para la generación de energía.2 La biomasa se puede transformar en energía o en portadores energéticos, por la vía de conversión termoquímica y por conversión bioquímica. Estos procesos constan de etapas previas de recolección, almacenamiento, transporte, secado, molienda y otros donde se trata la biomasa antes de pasar a las etapas de conversión. De ahí la necesidad de evaluar propiedades físicas y químicas tales como la densidad, fluidez, tamaño de partícula, humedad, cenizas, materia volátil, composición elemental; triturabilidad, contenido energético y propiedades térmicas; necesarias en los cálculos de ingeniería.3 La determinación de propiedades físicas y químicas ha sido emprendida por múltiples investigadores dedicados a los procesos de conversión de biomasa.4,5,6,7,8,9
Las características granulométricas de sistemas particulados, se pueden conocer ya sea por análisis de tamizado, microscopía y pruebas de sedimentación. A partir de análisis de tamizado, aplicado comúnmente en la caracterización de biomasa vegetal, se puede determinar el diámetro de partícula promedio de una muestra, ya sea aplicando el método diferencial o el método acumulativo.10 En general, el análisis granulométrico de muestras de biomasa vegetal ha permitido comprobar que las mismas suelen exhibir una distribución logarítmica, lo cual indica que predominan las partículas más pequeñas.3
Otra propiedad física de la biomasa es la densidad, la cual representa la relación entre la masa de material y el volumen que ocupa. Se diferencian dos tipos de densidad: densidad real y densidad aparente. La densidad real es el cociente de la masa de material y el volumen que ocupa excluyendo los espacios que hay entre las distintas partículas. La densidad aparente de un sólido es la masa de material correspondiente a la unidad de volumen ocupado por el mismo; y resulta menor que la densidad real de las partículas, debido a los espacios huecos o vacíos existentes entre las partículas que forman el conglomerado.9) Datos reportados de densidad real de aserrín de pino muestran que sus valores oscilan entre 122,8 y 436,0 kg/m3.4,5,11,12
El análisis próximo de la biomasa consiste en la determinación del contenido de humedad, cenizas, materia volátil y carbono fijo. El contenido de humedad representa la cantidad de agua en la biomasa, expresada como porcentaje en peso del material. El contenido de cenizas representa la cantidad de residuo sólido que queda después que la muestra de biomasa se quema por completo; las cenizas tienen como componentes principales óxido de sílice, aluminio, hierro, calcio, magnesio, titanio, sodio y potasio.13 Conocer la presencia de cenizas y su composición, permite predecir la tendencia a formar incrustaciones en calderas y la composición del carbón producido por ejemplo en la pirolisis o gasificación de la biomasa.14 El vapor condensable y gases incondensables, liberados en la descomposición térmica de la biomasa constituyen la materia volátil (excluyendo el vapor de agua). En la medida en que el contenido de materia volátil en la biomasa es mayor, se debe esperar un mayor rendimiento de bio-oil en procesos de pirolisis de biomasa.15 El carbono fijo es el residuo combustible sólido que queda después de calentar la biomasa y eliminada la materia volátil.
En la tabla 1 se muestran datos de análisis próximo de varios tipos de biomasa.16,17,18 Se aprecia en la biomasa lignocelulósica su alto contenido de materia volátil (MV) si se compara con el contenido en combustibles fósiles como el lignito y el carbón mineral; mientras que el contenido de cenizas exhibe valores inferiores en la biomasa que en los combustibles fósiles.19)
En regiones urbanas y montañosas de Cuba se generan anualmente ~400 toneladas de aserrín Pino Cubano (Pinus cubensis).20 La provincia Santiago de Cuba cuenta con un total de 58 aserríos, ubicados en zonas rurales y en algunas zonas urbanas; acumulándose en grandes cantidades. El aserrín es un material orgánico poli disperso, conformado por partículas pequeñas (< 6 mm).21 Su humedad suele ser superior a un 10 % y el contenido de cenizas superior al 0,3 %.5) El uso más extendido del aserrín está en la fabricación de tableros de madera aglomerada.22 El aserrín residual no aprovechado puede ser valorizado como fuente de energía, por procesos de termo conversión como son la pirólisis y la gasificación.
Este trabajo tuvo como objetivo determinar propiedades físicas y químicas de aserrín de pino, proveniente de zonas forestales de la localidad de El Brujo, en Santiago de Cuba; entre ellas el análisis granulométrico por tamizado y evaluación de los modelos de distribución de tamaño, determinación de la densidad y porosidad; contenido de humedad, materia volátil, carbono fijo y cenizas; todo ello como parte de las tareas de investigación que se acometen sobre la pirolisis de aserrín de pino, en la Facultad de Ingeniería Química y Agronomía de la Universidad de Oriente.
Materiales y métodos
La biomasa aserrín de pino (Pinus cubensis) fue recolectada en el aserrío de zonas forestales El Brujo en Santiago de Cuba. Las muestras se seleccionaron aplicando el método de cuarteo manual de Cono y anillo.
Para desarrollar el análisis granulométrico se utilizó un juego de tamices con la secuencia de tamaños siguiente: 2,0 mm, 1,4 mm, 1,0 mm; 0,71 mm; 0,50 mm; 0,30 mm; 0,14 mm y la bandeja inferior. Se pesó la muestra de aserrín a tamizar, y se realizó el tamizado en un tiempo de 20 min.
El diámetro promedio de la muestra se determinó por el método acumulativo y por el método diferencial.10 Por el método acumulativo, se representan las curvas de fracción cernida, Xi vs Dpi; y de fracción retenida Yi vs Dpi; siendo Dpi el diámetro promedio correspondiente a dos tamices consecutivos. Las fracciones de cernido y retenido se determinan por las expresiones:
El diámetro medio o tamaño promedio de las partículas de una muestra puede obtenerse en el punto de intercepción de la curva de fracción retenida (Yi) y la curva de fracción cernida (Xi). Por el método diferencial se relaciona la fracción másica de cada clase de tamaño con su diámetro medio. A partir de dicha información se puede determinar el diámetro medio por las definiciones que se muestran a continuación; en dichas expresiones, 
es el diámetro promedio de la muestra, mm; y el diámetro medio de la clase, mm.23
Diámetro de la partícula cuyo volumen es igual al volumen medio de todas las partículas presentes en la muestra, ecuación (3). Diámetro de la partícula cuya área superficial es igual a la media de las áreas superficiales de todas las partículas presentes en la muestra, ecuación (4). Diámetro de la partícula cuya relación volumen/superficie , es la misma para todas las partículas presentes en la muestra (Diámetro medio de Sauter), ecuación (5).
La distribución granulométrica puede describirse matemáticamente por diferentes modelos de la forma , los cuales resultan necesarios en cálculos de instalaciones tecnológicas. En el desarrollo de los modelos se supone que, tanto el tamaño de partícula como las frecuencias usadas de la distribución de tamaño son variables continuas. Entre los modelos más utilizados se encuentran los siguientes: 10,23
Modelo Gaudin-Andreiev
Al aplicar este modelo se espera un comportamiento lineal de la función en escala logarítmica.
Modelo Rosin-Rammler
Para determinar la densidad real se utilizó el método del picnómetro, utilizando picnómetros de . Las muestras de aserrín () se colocaron en cada picnómetro; realizándose tres determinaciones (réplicas). El líquido utilizado en las determinaciones fue el keroseno, con densidad de 800 kg/m3 a una temperatura de 27ºC. Por el método del picnómetro se determinó el volumen ocupado por la biomasa, y con la masa colocada en el picnómetro se calculó la densidad real:
Para determinar la densidad aparente se pesó una probeta de 500 mL (; se adicionó la biomasa hasta completar el volumen de la probeta, y se volvió a pesar nuevamente (); el peso de la biomasa se halló por diferencia . La densidad aparente se determinó mediante la ecuación (12):
La densidad real resulta mayor que la densidad aparente; y con ambas se determinó la porosidad del material:
La determinación del contenido de humedad, compuestos volátiles, carbono fijo y cenizas de la biomasa se realizó por la norma internacional GOST 2851-45. Se utilizaron los equipos siguientes: Balanza Analítica SARTORIUS, Modelo BP124S; Balanza Técnica SARTORIUS, Modelo BS2202S; Estufa DHG-9146A, electrotérmica. Mufla Nabertherm, Modelo L9/S; Tamizadora VEBMLM LABORTECHNIK ILMENAU. El procedimiento experimental y ecuaciones de cálculo se reportan en trabajos previos.5
Resultados y discusión
En la tabla 2 se muestra el resultado del análisis granulométrico del aserrín de pino. El gráfico de frecuencia (figura 1) muestra que las tres clases de tamaño predominantes en la muestra integral fueron: (-0,71+0,50) mm, con 17,44% en peso; (-0,50+0,30) mm, con 21,26% en peso y (-0,30+0,14) mm, con 20,04% en peso.
A partir de los resultados de análisis de tamizado (tabla 2), y aplicando las ecuaciones (3), (4) y (5), se obtuvieron los valores del diámetro promedio de la muestra integral (MI) de aserrín de pino:
La tabla 3 muestra el resultado de las funciones correspondientes a los modelos de Gaudin-Andreiev (columna 4) y de Rozin-Rammler (columna 5). En la figura 2 se muestran las funciones y los modelos lineales ajustados según las ecuaciones (8) y (10). El mejor ajuste correspondió al modelo de Rozin-Rammler, con R² = 0,996 3, mayor que el obtenido para el modelo de Gaudin-Andreiev,
R² = 0,939. Los parámetros y modelo de Rozin-Rammler son los siguientes:
Los resultados de densidad real y aparente, y de porosidad de la MI de biomasa fueron los siguientes:
La densidad aparente del aserrín de pino concuerda con lo reportado por otros autores: 122,8 kg/m3 (12 para el aserrín de pino; 163 kg/m3 para biomasa integral de guandú, y 15-200 kg/m3 para paja de cereales (24,140 kg/m3 y porosidad 0,868 3 para aserrín de pino (Dp≤0,5mm).25 La densidad real obtenida en este trabajo (468,05 kg/m3) fue comparable con el valor de 436 kg/m3, obtenido para aserrín de Pinus duranguenses.
(11; para aserrín de pinus patula se reportó un valor inferior de .4
Los resultados del análisis próximo del aserrín se muestran en la tabla 4. El contenido de humedad de la MI y de las diferentes clases, estuvieron entre 6,23 % y 8,26 %. El contenido de materia volátil tuvo valores entre 82,69 % y 84,43 %. El contenido de carbono fijo tuvo valores entre 15,86 %, y 18,13 %. El valor mayor de contenido de MV (84,43) y el menor valor de carbono fijo (15,26 %) se obtuvo para la clase con Dpi=0,4mm. El contenido de cenizas del aserrín de pino fue muy bajo entre 0,22 y 0,40%; resultando menor que el contenido en otras biomasas, y mucho menor que en los combustibles fósiles (tabla 4; figura 3).
Tabla 4 Resultados del análisis próximo de la muestra integral de aserrín de pino y las clases de tamaño
En la figura 3 se muestra el contenido de MV y CF de diferentes biomasas. Las biomasas tienen un contenido de materia volátil mayor que el carbón mineral y el lignito, menor contenido de carbono fijo y mucho menor contenido de cenizas (los puntos correspondientes a las biomasas se ubican cercanos a la hipotenusa del triángulo, con 0% de cenizas).
Conclusiones
Los resultados obtenidos en este trabajo permitieron evaluar el comportamiento de las características granulométricas del aserrín de pino, obteniéndose que el diámetro medio de partícula fue 0,366 6 mm. Se evaluaron los parámetros de los modelos de Gaudin-Andreiev y de Rozin-Rammler, comprobándose que la distribución de tamaño es logarítmica, con el mejor ajuste para el modelo de Rozin-Rammler (R² = 0,996 3), propio de muestras en que predominan las partículas de menor tamaño. La densidad real, aparente y porosidad para el aserrín de pino fueron: 468,05 kg/m3, 177,1 kg/m3 y 0,75 respectivamente. El contenido de volátiles, carbono fijo y cenizas fue de 83,54%, 16,10% y 0,37% respectivamente, para la muestra integral, concordando con lo reportado para otros tipos biomasas.
En sentido general se debe resaltar que: para utilizar este tipo de biomasa de baja densidad aparente con fines energéticos, se debe compactar para aumentar la misma ya sea en forma de pellets o briquetas; lo cual permitirá lograr mayor eficiencia de calderas, al mejorar la combustión. La biomasa vegetal tiene un contenido de materia volátil mayor que los combustibles fósiles, menor contenido de carbono fijo y mucho menor contenido de cenizas. Ello explica que de la biomasa vegetal se pueda extraer una cantidad mayor de especies orgánicas por pirolisis.
