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Determinación del punto de fusión de cenizas de bagazo y residuos agrícolas de la cosecha en verde de la caña de azúcar en Tucumán

Florencia Peralta*, Gimena Zamora Rueda*, Gabriela Mistretta*, Héctor Zalazar***, M. Valeria Bravo****, Enrique Feijoo****, Marcos A. Golato***, Dora Paz ***** y Gerónimo

J. Cárdenas*

Introducción

Las crecientes proyecciones sobre el uso de las biomasas como fuentes alternativas

de energía han extendido la demanda de sus respectivas caracterizaciones

energéticas. La biomasa sólida es particularmente útil para la conversión energética

por medio de procesos termoquímicos para la obtención de calor. La Estación

Experimental Agroindustrial Obispo Colombres (EEAOC) viene estudiando hace

algunos años la utilización de algunas biomasas como fuentes alternativas de energía,

entre ellas el bagazo y los residuos agrícolas de la cosecha en verde de la caña de

azúcar (RAC), para su aprovechamiento en calderas de vapor convencionales y

modernas de la industria azucarera de Tucumán.

Antes de comenzar a operar con nuevos biocombustibles en calderas de vapor, es de

suma importancia caracterizar la biomasa que se desea utilizar para evaluar su aptitud

como combustible y su posible comportamiento en el generador. Los parámetros

normalmente analizados son los contenidos de humedad y cenizas y el poder

calorífico. No obstante, existen otros parámetros físico-químicos que definen la calidad

de un combustible, como por ejemplo la fusibilidad de las cenizas. Este parámetro es

de gran importancia para tomar medidas tendientes a evitar problemas de

escorificación excesiva, deposiciones y obstrucción en la zona de grillas y pasajes de

gases a través de los tubos del haz convectivo y sobrecalentador, procurando un

manejo y rediseño adecuados, que permitan extender los periodos de funcionamiento

y minimizar los tiempos de parada en los generadores de vapor.

Para evaluar rápidamente la posibilidad de que se escorifiquen las cenizas del

combustible, se puede realizar un análisis de su fusibilidad, determinándose la

temperatura a la cual comienzan a aparecer sinterizados y a formarse escorias en un

determinado material. Estos son parámetros críticos ligados a la calidad de un

combustible, a partir de los cuales es posible predecir la factibilidad de su aplicación a

escala industrial, definiendo la temperatura de diseño del horno de la caldera de vapor

y sus condiciones operativas.

* Ing. Qco., ** Ing. Mco., ***Tco., ****Ing. Ind., *****Dra. Ing. Qca., Ingeniería y Proyectos Agroindustriales, EEAOC. mediciones@eeaoc.org.ar  

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La fusibilidad de las cenizas es una característica del estado físico que estas

adquieren cuando se las somete a un calentamiento progresivo en determinadas

condiciones (Pang et al., 2013).

En el presente trabajo, se muestran los resultados preliminares del análisis de la

fusibilidad de las cenizas del bagazo de caña y RAC obtenidos en el Laboratorio de

Ensayos y Mediciones Industriales (LEMI) de la Sección Ingeniería y Proyectos

Agroindustriales de la EEAOC, a partir de un moderno equipamiento recientemente

instalado en este laboratorio.

Análisis de la fusibilidad de cenizas

La American Society for Testing and Materials (ASTM) identifica cuatro temperaturas

características de la fusibilidad de cenizas: la temperatura inicial de deformación (DT),

la temperatura de ablandamiento (ST), la temperatura de semiesfera (HT) y la

temperatura de fluidización (FT). Estas se determinan para dos atmósferas diferentes:

oxidante y reductora. En la primera atmósfera, el gas predominante es una mezcla de

CO2 y O2 y, en la segunda, predomina una mezcla de CO2 y CO (ASTM, 2010). Si bien

esta norma indica el procedimiento para el análisis de la fusibilidad de muestras de

carbón mineral, puede generalizarse para el análisis de cualquier tipo de biomasa

sólida o material inorgánico.

Preparación de las muestras a analizar

La determinación del punto de fusibilidad requiere de ensayos previos de secado, de la

determinación del contenido de humedad y cenizas, de la disposición de las muestras

a un tamaño adecuado y de su calcinación.

El secado de la biomasa se realiza en estufa eléctrica con circulación forzada de aire a

105ºC, durante ocho horas y hasta peso constante, según norma ASTM D3173-

87(1996) modificada (ASTM, 1996). Una vez que el material se encuentra seco, debe

ser acondicionado hasta alcanzar una granulometría adecuada (diámetro promedio

menor a 2 mm), para luego ser sometido a la determinación del contenido de cenizas

(Castagnaro et al., 2011).

El contenido de cenizas en base seca de la biomasa se determina en horno mufla a

550ºC, durante ocho horas y hasta peso constante, según norma ASTM D5142-04

modificada (ASTM, 2004). En este último ensayo se obtiene el material necesario para

el posterior análisis de fusibilidad.

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Las muestras de cenizas así obtenidas son molidas y tamizadas hasta una

granulometría menor a 75µm; luego se humedecen con solución filtrada de dextrina al

10% y se procede a rellenar moldes estandarizados. Una vez endurecidas las

muestras, se procede a desmoldarlas y secarlas a temperatura ambiente. Este

procedimiento se encuentra estandarizado por la mencionada norma ASTM D1857-

04(2010) (ASTM, 2010).

Analizador de fusibilidad de cenizas AF700

El equipo analizador de fusibilidad de cenizas AF700 es un moderno equipo

automatizado que determina las DT, ST, HT y FT a partir del registro de la deformación

de muestras de cenizas por medio de un “software” de función y reconocimiento de

imágenes (IRF) y de acuerdo a la norma ASTM D1857-04(2010) y al registro de las

temperaturas alcanzadas en ese proceso de deformación.

En la Figura 1, pude observarse el equipo analizador de la fusibilidad de cenizas

instalado en el LEMI de la EEAOC.

En la Figura 2, se observa un diagrama de flujo del equipo analizador. En esta

figura puede verse el suministro del gas oxidante (mezclas de CO2 y O2) y del

gas reductor (mezclas de CO2 y CO). Además, el equipo cuenta con un gas de Figura 1. Equipo para la determinación de la fusibilidad de cenizas, marca Leco, modelo AF700, instalado en el Laboratorio de Ensayos y Mediciones Industriales (LEMI) de la Estación Experimental Agroindustrial Obispo Colombres (EEAOC).  

 

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purga (nitrógeno) para el barrido y limpieza del sistema. Se puede observar el medio

de regulación y medición del flujo de estos gases, el horno eléctrico con su sistema de

ventilación, la cámara digital y un sistema de espejos que facilita la proyección de las

imágenes en una zona alejada de la fuente de calor. Por otro lado, se visualizan los

sensores y sistema de enclavamientos para la operación segura del equipo.

Operación del AF700

El operador coloca los conos dentro del horno y selecciona un método analítico con

una determinada atmósfera, ya sea reductora u oxidante. Por medio de la cámara

instalada en el interior del horno, se configura la posición de cada cono en la pantalla.

El equipo determina automáticamente las DT, ST, HT y FT; la medición se basa en

identificar el cambio característico que experimenta la forma de los conos de cenizas

(altura, superficie, ancho) cuando son sometidos a un calentamiento progresivo en un

horno eléctrico con atmósfera controlada, ya sea reductora (CO2/CO) u oxidante

(CO2/O2); la velocidad de calentamiento se encontrará definida por el material a

ensayar. El proceso de deformación se puede visualizar en la pantalla, puesto que las

imágenes son captadas por la cámara digital: estas son capturadas y procesadas

mediante el sistema IRF (Leco Corporation, 2010).

La Figura 3 muestra los perfiles de los conos en función de las temperaturas DT, ST,

HT y FT descriptas anteriormente según ASTM D1857-04(2010) (ASTM, 2010).

Figura 2. Diagrama de flujo del equipo analizador de fusibilidad marca Leco, modelo AF700.  

 

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La Figura 4 muestra una imagen real de los perfiles de los conos para las

temperaturas características de fusibilidad. Esta imagen proviene de una

captura de pantalla del “software” de control del AF700.

Figura 4. Imagen real del perfil de los conos para las temperaturas características de fusibilidad según ASTM D1857-04(2010). Generalmente, las temperaturas bajo condiciones reductoras deben ser iguales o

menores que en condiciones oxidantes; el mayor contenido de minerales en las

muestras acrecientan las diferencias entre ambas atmósferas, debido a que su

reducción conduce a la formación de compuestos de bajo punto eutéctico (Misra et al.,

1993).

Temperaturas de fusibilidad de cenizas de bagazo y RAC

Durante la zafra 2013 se recolectaron 20 muestras de bagazo provenientes de

ingenios tucumanos y 20 muestras de RAC provenientes de los campos de caña

D Figura 3. Perfil de los conos de ceniza en función de las temperaturas características de fusibilidad según ASTM D1857-04(2010).

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cosechados con sistema tradicional de cosecha integral. Las muestras fueron

procesadas en el LEMI siguiendo las metodologías descriptas en este artículo.

La Tabla 1 muestra los resultados obtenidos del análisis de fusibilidad de cenizas de

bagazo analizadas para las atmósferas reductora y oxidante. Se puede observar que

las temperaturas promedio características de la fusibilidad de las cenizas de bagazo

para atmósfera reductora fueron: DT = 1081,1ºC; ST = 1236,6ºC; HT = 1385,4ºC y FT

>1455,0ºC, mientras que en atmósfera oxidante los valores fueron: DT = 1110,0ºC; ST

= 1235,2ºC; HT = 1334,5ºC y FT > 1455,0ºC.

Tabla 1. Temperaturas de fusión de cenizas de bagazo en atmósferas reductora y oxidante.

En la Figura 5, se puede observar el correspondiente gráfico de dispersión de los

valores de la Tabla 1 para las atmósferas analizadas. Se puede ver que la DT mínima

fue 927,5ºC en atmósfera reductora y 930,0ºC en atmósfera oxidante. En cuanto a la

FT máxima, el valor obtenido para ambas atmósferas superó los 1455,0ºC.

Atmósfera reductora Atmósfera oxidante Muestra Nº DT (ºC) ST (ºC) HT (ºC) FT (ºC) DT (ºC) ST (ºC) HT (ºC) FT (ºC) 1 1154,5 1293,5 1380,5 >1455,0 1178,5 1309,5 1390,5 >1455,0 2 1121,5 1254,5 1353,5 >1455,0 1196,5 1283,5 1380,0 >1455,0 3 1156,5 1268,5 1384,5 >1455,0 1113,5 1208,5 1280,0 >1455,0 4 1107,5 1248,5 1370,5 >1455,0 930,0 1106,5 1250,5 >1455,0 5 1167,5 1343,5 1445,0 >1455,0 1158,5 1334,5 >1450,0 >1455,0 6 1190,0 1305,0 1343,5 >1455,0 1235,0 1320,0 1363,5 >1455,0 7 1105,5 1396,5 1438,5 >1455,0 1183,5 1300,0 1430,0 >1455,0 8 1044,5 1337,5 1445,0 >1455,0 1065,5 1229,5 >1450,0 >1455,0 9 985,0 1064,5 1362,5 >1455,0 971,0 1009,0 1243,0 1402,0

10 1005,5 1274,5 1398,0 >1455,0 1098,5 1265,5 1358,8 >1455,0 11 1151,5 1335,5 1445,0 >1455,0 1220,5 1361,5 >1450,0 >1455,0 12 1211,5 1279,5 1445,0 >1455,0 1130,0 1334,5 1446,5 >1455,0 13 1082,5 1283,5 1404,5 >1455,0 1100,5 1301,5 1422,5 >1455,0 14 927,5 1082,5 1394,5 >1455,0 941,5 1079,5 1256,5 >1455,0 15 1125,0 1252,5 1445,0 >1455,0 1114,5 1270,5 1374,5 >1455,0 16 1092,5 1207,5 1277,5 1432,5 1200,0 1271,5 1343,5 >1455,0 17 964,0 1186,5 1285,0 >1455,0 982,0 1201,5 1295,0 >1455,0 18 1012,5 1120,0 1310,0 >1455,0 977,5 1025,0 1117,5 1282,5 19 1005,0 1065,0 1384,0 >1455,0 1180,0 1235,0 1410,0 >1455,0 20 1012,5 1133,0 1395,0 >1455,0 1223,5 1256,5 1323,5 1388,5

Promedio 1081,1 1236,6 1385,4 >1455,0 1110,0 1235,2 1334,5 >1455,0

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La Tabla 2 muestra los resultados del análisis de fusibilidad de cenizas de RAC

realizado en atmósferas reductora y oxidante.

Figura 5. Temperaturas características de la fusibilidad de cenizas de bagazo para atmósferas reductora y oxidante.

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Tabla 2. Temperaturas de fusión de cenizas de RAC en atmósferas reductora y oxidante.

Se puede observar en la tabla que, en atmósfera reductora, las temperaturas promedio

características de la fusibilidad de las cenizas de RAC fueron las siguientes: DT =

1054,4ºC; ST = 1263,0ºC; HT = 1374,4ºC y FT >1455,0ºC. En tanto, en atmósfera

oxidante, estas temperaturas fueron: DT = 1058,0ºC; ST = 1195,6ºC; HT = 1322,0ºC y

FT >1455,0ºC.

La Figura 6 muestra el gráfico de dispersión correspondiente a los valores de la Tabla

2 para las atmósferas reductora y oxidante. Se puede apreciar que la DT mínima,

registrada para las muestras de RAC analizadas, fue 975,0ºC para atmósfera

reductora y 947,0ºC para atmósfera oxidante. En cuanto al valor promedio máximo de

FT, este fue mayor a 1455,0ºC para ambas atmósferas analizadas.

Atmósfera reductora Atmósfera oxidante Muestra Nº DT (ºC) ST (ºC) HT (ºC) FT (ºC) DT (ºC) ST (ºC) HT (ºC) FT (ºC)

1 1055,0 1143,0 1330,0 1428,0 1028,0 1145,0 1273,5 1432,5 2 975,0 1142,5 1327,5 1377,5 1180,0 1225,0 1347,0 1455,0 3 1075,0 1337,5 1405,0 >1455,0 1020,0 1055,0 1197,5 1388,5 4 1091,0 1316,0 1450,0 >1455,0 952,5 1250,0 1390,0 >1455,0 5 1050,0 1300,0 1328,0 1392,0 1030,0 1170,0 1345,0 1420,0 6 1069,0 1289,0 1360,0 >1455,0 1142,5 1285,0 1387,5 >1455,0 7 985,0 1215,0 1329,0 >1455,0 1025,0 1207,5 1292,5 >1455,0 8 977,0 1145,0 1340,0 1380,0 947,0 1022,5 1170,0 1275,0 9 1156,0 1261,0 1384,0 1449,0 1142,5 1248,0 1370,0 >1455,0

10 1069,0 1275,0 1330,0 >1455,0 1152,5 1272,5 1345,0 >1455,0 11 1072,0 1325,0 1400,0 >1455,0 1070,0 1240,0 1387,5 >1455,0 12 1091,0 1366,0 1450,0 >1455,0 1010,0 1210,0 1327,5 1442,5 13 998,0 1195,0 1403,0 >1455,0 1115,0 1247,5 1325,0 >1455,0 14 1002,0 1278,0 1355,0 1390,0 1007,5 1102,5 1239,5 1387,5 15 1072,0 1350,0 1375,0 1406,0 1027,5 1165,0 1285,0 1415,0 16 1007,0 1262,0 1342,0 >1455,0 955,0 1122,5 1300,0 >1455,0 17 1074,0 1179,0 1402,0 >1455,0 1132,5 1300,0 1395,0 >1455,0 18 1199,0 1295,0 1387,0 1449,0 1100,0 1198,0 1378,0 >1455,0 19 1044,0 1335,0 1398,0 >1455,0 1007,0 1210,0 1299,0 >1455,0 20 1026,0 1250,0 1392,0 >1455,0 1115,0 1236,0 1385,0 >1455,0

Promedio 1054,4 1263,0 1374,4 >1455,0 1058,0 1195,6 1322,0 >1455,0

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Consideraciones finales

Los resultados preliminares obtenidos del análisis de fusibilidad de las cenizas de

bagazo muestran que las temperaturas características se encuentran dentro del mismo

orden de magnitud y no muestran diferencias significativas cuando se las somete a un

calentamiento en atmósferas oxidantes y reductoras: solamente se observaron

variaciones máximas próximas al 4,0%. Para el caso del RAC, los resultados fueron

similares: los valores se presentaron en un igual orden de magnitud y las diferencias

entre los valores obtenidos para las atmósferas ensayadas fueron poco significativas

(se observaron variaciones máximas cercanas al 5,5%).

Los resultados del análisis de la fusibilidad de las cenizas indican, en promedio, que la

DT es sensiblemente menor para las cenizas de RAC (1054,4ºC) que para las de

bagazo (1081,1ºC) en atmósfera reductora; estos valores ascienden a 1058,0ºC y

1110,0ºC, respectivamente, en atmósfera oxidante. Este hecho podría deberse a la

presencia de óxidos alcalinos en la constitución elemental del RAC, que

posteriormente se oxidan durante la combustión formando sales de bajo punto de

fusión (Fernández Llorente y Carrasco García, 2005).

Figura 6. Temperaturas características de la fusibilidad de cenizas de RAC para atmósferas reductoras y oxidantes.

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Bibliografía citada

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87. Standard test method for moisture in the analysis sample of coal and coke.

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coal. ASTM, West Conshohocken, USA.

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04. Standard test method for fusibility of coal and coke ash. ASTM, West

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Fernández Llorente, M. J. y J. E. Carrasco García. 2005. Comparing methods for

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Leco Corporation. 2010. Manual de instrucciones del determinador de fusibilidad de

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Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Madison, USDA, Madison,

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