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INTRODUCCIÓN
En la etapa de puesta en marcha de la bioeléctrica Ciro Redondo ubicada en Ciego de Ávila, Cuba, se ha presentado un comportamiento no previsto en las propiedades del marabú, Dichrostachys cinera (L.), utilizado como combustible para su operación en períodos de no zafra azucarera. Esto ha estado relacionado con la humedad, la masa y el calor específico de combustión del marabú almacenado.
Es conocido que toda biomasa almacenada sufre un proceso de secado. La masa de agua (humedad), como resultado de su evaporación y del intercambio de masa con el aire, disminuye durante el tiempo de almacenamiento. Esta disminución de la humedad incrementa el calor específico de combustión de la masa de trabajo del combustible (base húmeda).
Por otro lado, como resultado del accionar de los microorganismos que posee la biomasa, esta sufre un proceso de descomposición biológica (Anerud y col., 2019, Towey y col., 2019 y Lara y col., 2020). Ese proceso de descomposición provoca una pérdida de masa orgánica (masa seca), y esto tiende a provocar una disminución del calor específico de combustión (base seca). Además, provoca incrementos del contenido de ceniza y mayor cantidad de partículas finas en la composición granulométrica de la biomasa. Todo esto modifica sus propiedades combustibles con el tiempo de almacenamiento. La pérdida de masa orgánica disminuye la masa total (masa de trabajo) del combustible disponible, lo que deberá ser tenido en cuenta en las plantas térmicas que utilizan biomasa como combustible. Todo esto ocurre también en el marabú por ser una biomasa que tiene un elevado contenido de microorganismos (Alvarado y col., 2022).
Los fenómenos apuntados han sido estudiados en muchas biomasas empleadas como materia prima en diferentes procesos, pero no han sido estudiados en el marabú cosechado con máquinas para su empleo como combustible en plantas térmicas. El presente trabajo tiene como objetivo determinar el comportamiento de la humedad, la masa orgánica y el calor específico de combustión del marabú cosechado con máquinas, con el tiempo de almacenamiento, para prever su impacto en la operación de las calderas.
MATERIALES Y MÉTODOS
La biomasa combustible (masa total o de trabajo) está formada por una masa orgánica (es la que aporta el calor de combustión al quemarse), una masa de agua (que da la humedad y que se evapora durante la combustión provocando una pérdida de calor para la caldera) y una masa inorgánica o mineral (que da origen a la ceniza al quemarse).
La masa orgánica disminuye con el tiempo de almacenamiento por el accionar de los microorganismos y la masa de agua disminuye por el proceso de secado, mientras que la masa inorgánica se considera que se mantiene constante (como masa) pues no sufre procesos degenerativos durante el almacenamiento, pero como disminuye la masa orgánica, el porciento de ceniza (base seca) se incrementa.
A partir de lo expresado anteriormente y con la finalidad de determinar la pérdida de masa orgánica, puede considerarse que ésta es la diferencia entre la pérdida de masa total y la pérdida de la masa de agua (humedad).
El comportamiento de la humedad del marabú almacenado en función del tiempo (pérdida de humedad), se determinó mediante un experimento con pilas similares a las empleadas en su almacenamiento, ver Tabla 1. El experimento duró seis semanas y se tomaron muestras el día cero y en cada una de las semanas siguientes. Las muestras se tomaron a una profundidad de 0,7 m desde la superficie de la pila y a una altura media. Adicionalmente, diariamente (mañana y tarde) se controlaron las variables meteorológicas principales en el entorno de las Pilas B y C: temperatura ambiente, lluvia y humedad relativa. Las condiciones de las pilas responden a los tres tipos de almacenes empleados, por los que el marabú pasa secuencialmente (C, B y A).
Tabla 1 Datos de las pilas del experimento. Día 0. Fecha: 29-10-2021
| Información | Pila A | Pila B | Pila C |
|---|---|---|---|
| Condición de almacenamiento | Bajo techo, con paredes y sobre piso de hormigón | Intemperie y sobre piso de hormigón | Intemperie y piso de rocoso y tierra |
| Masa (kg) | 12 940 | 12 580 | 12 940 |
| Densidad (kg/m3) | 379 | 389 | 405 |
| Máquina utilizada | BMH-480-0250 | BMH-480-0250 | BMH-480-0250 |
| Cabezal de corte | Modelo H600 | Modelo H600 | Modelo H600 |
| Altura de corte de la máquina | Baja | Baja | Baja |
| Densidad de campo | Baja-Media | Baja-Media | Baja-Media |
| Edad del marabú | 18 - 26 meses | 18 - 26 meses | 18 - 26 meses |
La determinación de la pérdida de masa total se obtuvo mediante la diferencia de peso el día cero y el último día del experimento. Con la finalidad de no afectar físicamente las pilas sometidas a evaluación para no alterar el proceso natural de secado, se decidió no pesarlas cada semana. Para mayor precisión en el cálculo de la pérdida de masa total se tuvo en cuenta la masa extraída a cada pila al tomar las muestras para las diferentes pruebas. El experimento permitió la evaluación de otras propiedades cuyo comportamiento será reportado en otros artículos.
Con la finalidad de evaluar el comportamiento del calor específico de combustión inferior (CECI), (base seca) con el tiempo de almacenamiento, se tomaron muestras del interior de cada pila de marabú (0,70 m de profundidad y altura media) y se determinó su valor en el laboratorio de la planta, con la bomba calorimétrica isoperibólica SDACM4000; se utilizó la norma ISO 1928, (2020).
Para conocer la influencia en el CECI (base húmeda) de la pérdida de humedad y de la masa orgánica, se procedió a su cálculo utilizando los modelos obtenidos para la humedad y la masa orgánica, el CECI (bs) promedio de las tres pilas el día cero (15 817 kJ/kg) determinado y el CECI (base seca) de la masa orgánica (CECI MO), este último determinado con el contenido de ceniza (CC) promedio general obtenido durante el experimento (7,70 %).
El material para todas las evaluaciones de laboratorio se trituró y se obtuvieron las muestras mediante el sistema de cuarteo.
A los efectos del procesamiento de la información al tiempo de almacenamiento en lo sucesivo se le denominará tiempo de secado.
3.1 Comportamiento de la humedad (masa de agua)
El comportamiento de la humedad durante el tiempo de secado para cada una de las pilas y el promedio de las tres se puede ver en la Tabla 2. En la Figura 1 se han graficado estos resultados para valorar las tendencias.
Tabla 2 Comportamiento de la humedad durante el tiempo de secado
| Día | Humedad interior | Lluvias | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Pila A | Pila B | Pila C | Promedio | Período | Pila B | Pila C | |
| 0 | 50,1 | 50,4 | 51,0 | 50,5 | - | - | - |
| 6 | 45,5 | 35,8 | 40,1 | 40,4 | 0 al 6 | Moderadas | Moderadas |
| 13 | 45,2 | 47,6 | 33,9 | 42,2 | 7 al 13 | Moderadas | |
| 20 | 41,5 | 29,9 | 31,6 | 34,4 | 14 al 20 | Ligeras | |
| 27 | 34,6 | 34,4 | 27,2 | 32,0 | 21 al 27 | Ligeras | |
| 34 | 33,3 | 32,1 | 26,8 | 30,7 | 28 al 34 | Moderadas | Moderadas |
| 41 | 32,7 | 36,6 | 33,8 | 34,4 | 35 al 41 | Moderadas | Moderadas |
La tendencia general, como era de esperar, es a disminuir la humedad con el tiempo de secado. En el caso de la Pila A lo hace con una mínima dispersión de valores (R2=0,94), mientras que las Pilas B y C lo hacen con valores muy dispersos (R2 igual a 0,36 y 0,59 respectivamente). La dispersión de valores en B y C se debe a la influencia de las lluvias y el efecto de las condiciones ambientales por estar a la intemperie.
El comportamiento de la humedad promedio responde al modelo lineal representado por la ecuación (1)
(Ecuación 1)
Donde:
3.2 Comportamiento de la masa total y la orgánica
En la Tabla 3 se muestra el comportamiento de la pérdida de masa total y la orgánica, con el tiempo de secado. Se muestra la pérdida para cada pila y el promedio general. La pérdida de masa orgánica mayor se produce en la Pila A que se encuentra bajo techo y rodeada de paredes (5,63 %) le siguen en orden descendente, y con valores muy cercanos, las Pilas C y B (2,53 y 1,08 % respectivamente). Estas últimas en condiciones de intemperismo.
En la Figura 2 se ha graficado la tendencia de la pérdida de masa orgánica de cada pila y la del promedio de las tres versus el tiempo de secado. Como era de esperar la pérdida de masa orgánica en todos los casos se incrementa con el tiempo de secado. El modelo lineal del comportamiento promedio se muestra en la Ecuación 2.
(Ecuación 2)
Donde:
3.3 Comportamiento del calor específico de combustión inferior (CECI) y del contenido de ceniza de la masa seca con el tiempo de secado
Los resultados de la determinación del CECI (bs) del marabú se presentan en la Tabla 4, y en la Figura 3 se graficó su comportamiento con el tiempo de secado.
El CECI (bs) presenta un comportamiento casi constante con el tiempo de secado aunque con valores muy dispersos. La dispersión de valores tiene su origen en la poca uniformidad del material cosechado, no obstante el sistema empleado para obtener las muestras. El valor máximo resultó 17 433 kJ/kg y el mínimo 15 700 kJ/kg, para una diferencia de 10 %. Esto indica una baja influencia en el CECI (bs) de la pérdida de masa orgánica en el rango de tiempo estudiado.
Tabla 4 Calor específico de combustión inferior (bs) (kJ/kg)
| Día | Pila A | Pila B | Pila C | Promedio |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 16081 | 15457 | 15913 | 15817 |
| 6 | 17334 | 17020 | 17556 | 17303 |
| 13 | 16140 | 17330 | 16726 | 16732 |
| 20 | 17242 | 17946 | 17112 | 17433 |
| 27 | 17686 | 16797 | 17539 | 17341 |
| 34 | 17032 | 16672 | 16638 | 16781 |
| 41 | 16249 | 15377 | 15473 | 15700 |
| Promedio | 16823 | 16657 | 16708 | 16729 |
Estos valores de CECI (bs) del marabú son inferiores a los reportados en (Rubio-González y col., 2021) pues en el presente estudio el marabú cosechado estaba formado por plantas jóvenes con una edad inferior a los 26 meses, lo que hace que no tuviese troncos robustos que aportan una mayor concentración de fibra.
Los resultados de la determinación del contenido de ceniza se muestran en la Tabla 5, y en la Figura 4 se muestra su tendencia con el tiempo de secado.
Tabla 5 Contenido de ceniza (%)
| Día | Pila A | Pila B | Pila C | Promedio |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 6,10 | 6,00 | 7,30 | 6,47 |
| 6 | 8,00 | 9,10 | 5,20 | 7,43 |
| 13 | 14,30 | 7,20 | 5,80 | 9,10 |
| 20 | 7,50 | 5,90 | 8,00 | 7,13 |
| 27 | 5,00 | 7,90 | 8,60 | 7,17 |
| 34 | 6,80 | 7,30 | 9,20 | 7,77 |
| 41 | 9,91 | 7,65 | 8,84 | 8,80 |
| Promedio | 8,23 | 7,29 | 7,56 | 7,70 |
El contenido de ceniza presenta una tendencia al incremento con el tiempo de secado, pero los valores tienen una gran dispersión por igual razón que en el caso del CECI. El valor mínimo resultó 6,47 % y el máximo 9,10 %, para una diferencia de 29 %. El promedio general es de 7,70 %.
3.4 Influencia de la pérdida de masa orgánica y de humedad en el CECI
En la Tabla 6 se presenta el cálculo del CECI (bh) teniendo en cuenta la disminución por pérdida de masa orgánica y el aumento por reducción de la humedad con el tiempo de secado. En la Figura 5 se ha graficado el comportamiento.
El CECI (bh) aumenta con el tiempo de secado, pues tiene mayor impacto la reducción de la humedad que la pérdida de masa orgánica. Esto ocurre durante el tiempo que duró el experimento. El comportamiento del CECI (bh) teniendo en cuenta la pérdida de masa orgánica y humedad, a partir de estos cálculos, cumple con el modelo de la Ecuación 3.
(Ecuación 3)
Haciendo una extrapolación se determinó un aspecto de mucha importancia, ver Tabla 6. A los 84 días de secado se alcanzaría una humedad de 12,23 %, muy cercana a la humedad de equilibrio en Cuba, por lo que a partir de ese momento la humedad del marabú no disminuiría más, cesando el incremento del CECI (bh) que provoca su reducción; pero como la pérdida de masa orgánica continua el CECI (bh) comenzaría a disminuir. Este aspecto merita nuevas investigaciones.
CONCLUSIONES
Los modelos estadísticos de humedad, masa orgánica y calor específico de combustión, en función del tiempo de almacenamiento, permiten predecir sus efectos en la operación de las calderas.
Se puede estimar que a partir de los 84 días de almacenamiento el CECI (bh) del marabú comenzará a disminuir, lo que merita nuevas investigaciones.
