Estudio comparativo de Bloques Sólidos Combustibles y maderas en la obtención de Eco-materiales (página 2)

I.1 FUENTES DE BIOMASA, CARACTERÍSTICAS ENERGÉTICAS Y SUS APLICACIONES

Según un análisis realizado sobre el potencial de las fuentes alternativas de energía en Cuba en el año 1991, por la Comisión Nacional de Energía, se consideran como fuentes alternativas de energía, renovables o no: la paja de arroz, el gas natural o acompañante, los residuos pecuarios, industriales y urbanos, las energías hidráulicas, solar y eólica, la turba, la asfaltita y las rocas y arenas bituminosas, las astillas de madera y los desperdicios de los bosques.

Según este informe las fuentes alternativas constituían más del 30% de la energía total consumida en el país, además se producían anualmente 2.5 millones de metros cúbicos estéreos (no compactados) de leña con un rendimiento por hectárea de unos 60 m3. (Comisión Nacional de Energía 1991) (6)

El reto hoy en Cuba es lograr una mayor independencia energética mediante la utilización de todas las fuentes nacionales de energía, según se expresa en el Programa de Desarrollo de las Fuentes Nacionales de Energía del Gobierno Revolucionario.(Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación 2004) (22)

Algunos autores plantean que los países en desarrollo deben abastecerse de aquella energía de más fácil utilización, acorde con su desarrollo cultural y técnico como es la hidráulica, la biomasa, las energías renovables y los combustibles fósiles, dejando la energía que requiere un mayor desarrollo estructural, técnico y de conocimientos como la nuclear, para los países más desarrollados. (Díaz Río. Junio 1999) (12). Este planteamiento puede ser cierto en muchos casos, pero lo más importante es que sí se debe considerar en todos los casos el uso de las energías renovables como una importante alternativa.

Es prioritario el desarrollo y utilización de las energías renovables como medio de suministrar energía comercial para variados usos, y deben apoyarse fundamentalmente en los proyectos de energía solar, biomasa, eólica y minicentrales. No cabe duda que estas fuentes de energía pueden obtener una mayor relevancia en la producción y consumo de energía local.

El actual estilo de vida adoptado en el mundo desarrollado parece estar en contradicción con una buena práctica de la conservación de la energía. Este mundo desarrollado, que representa el 20% de la población mundial, consume el 80% de la energía. Esta situación debe ser modificada si queremos llegar a un equilibrio político y económico.

I.1.1 La biomasa

La utilización de la biomasa por el hombre es tan antigua como el descubrimiento y el empleo del fuego para calentarse y preparar los alimentos. Aún hoy, la biomasa es la principal fuente de energía para usos domésticos empleada por más de 2.000 millones de personas en el Tercer Mundo.

La biomasa, sustancia orgánica renovable de origen animal o vegetal (Sebastián F., Royo J.,

2002) (28), ha sido la fuente energética más importante para la humanidad desde su nacimiento, en ella se ha basado la actividad de los hombres tanto doméstica como manufacturera hasta el inicio mismo de la revolución industrial.

Con el uso masivo de combustibles fósiles el aprovechamiento energético de la biomasa fue disminuyendo progresivamente y en la actualidad presenta en el mundo un reparto muy desigual como fuente de energía primaria.

No obstante, en los últimos años el panorama energético mundial ha variado notablemente. El elevado coste de los combustibles fósiles y los avances técnicos que han posibilitado la aparición de sistemas de aprovechamiento energético de la biomasa cada vez más eficientes, fiables y limpios, han causado que esta fuente de energía renovable se empiece a considerar por las industrias como una alternativa, total o parcial, a los combustibles fósiles.

En los países desarrollados la biomasa es la energía renovable más extendida y que más se está potenciando, en multitud de países en vías de desarrollo es la principal fuente de energía primaria lo que provoca sin embargo, en muchos casos, problemas medioambientales como la deforestación, desertización, reducción de la biodiversidad, etc. producidos por una explotación no adecuada del recurso.

La energía de la biomasa proviene en última instancia del sol. Mediante la fotosíntesis el reino vegetal absorbe y almacena una parte de la energía solar que llega a la tierra; las células vegetales utilizan la radiación solar para formar sustancias orgánicas a partir de sustancias simples y del CO2 presente en el aire. El reino animal incorpora, transforma y modifica dicha energía. En este proceso de transformación de la materia orgánica se generan subproductos que no tienen valor para la cadena nutritiva o no sirven para la fabricación de productos de mercado, pero que pueden utilizarse como combustible en diferentes aprovechamientos energéticos. (Sebastián F., Royo J., 2002) (28)

Figura 1. Fuentes de biomasa

I.1.2 Tipos de biomasa

Existen diferentes tipos o fuentes de biomasa que pueden ser utilizados para suministrar la demanda de energía de una instalación, una de las clasificaciones más generalmente aceptada es la siguiente. (Energía de la Biomasa. Agosto 2001) (15).

• Biomasa natural: es la que se produce espontáneamente en la naturaleza sin ningún tipo de intervención humana. Los recursos generados en las podas naturales de un bosque constituyen un ejemplo de este tipo de biomasa. La utilización de estos recursos requiere de la gestión de su adquisición y transporte hasta la empresa lo que puede provocar que su uso sea inviable económicamente.
• Biomasa residual seca: se incluyen en este grupo los subproductos sólidos no utilizados en las actividades agrícolas, en las forestales y en los procesos de las industrias agroalimentarias y de transformación de la madera y que, por tanto, son considerados residuos. Este es el grupo que en la actualidad presenta un mayor interés desde el punto de vista del aprovechamiento industrial. Algunos ejemplos de este tipo de biomasa son la cáscara de almendra, el orujillo, las podas de frutales, el aserrín, etc.
• Biomasa residual húmeda: son los vertidos denominados biodegradables: las aguas residuales urbanas e industriales y los residuos ganaderos (principalmente purines).
• Cultivos energéticos: son cultivos realizados con la única finalidad de producir biomasa transformable en combustible. Algunos ejemplos son el cardo (cynara cardunculus), el girasol cuando se destina a la producción de biocarburantes, etc.
• Biocarburantes: aunque su origen se encuentra en la transformación tanto de la biomasa residual húmeda (por ejemplo reciclado de aceites) como de la biomasa residual seca rica en azúcares (trigo, maíz, etc.) o en los cultivos energéticos (colza, girasol, pataca, etc.), por sus especiales características y usos finales, este tipo de biomasa exige una clasificación distinta de las anteriores.

I.1.3 Características energéticas de la biomasa

En muchas ocasiones, la biomasa se elimina por ser molesta para la instalación que la produce o porque entorpece las labores agrarias o ganaderas que la generan. Cuando esto ocurre, se está desperdiciando una fuente de energía importante, basta recordar que considerando que, por término medio, un kilogramo de biomasa permite obtener 3.500 kcal y que un litro de gasolina tiene aproximadamente 10.000 kcal, por cada tres kilogramos que desperdiciamos de biomasa, se desaprovecha el equivalente a un litro de gasolina.

Habitualmente, el contenido energético de la biomasa se mide en función del poder calorífico del recurso, aunque para algunos de ellos, como es el caso de la biomasa residual húmeda o de los biocarburantes, se determina en función del poder calorífico del producto energético obtenido en su tratamiento. La Tabla 1 recoge el poder calorífico superior y el poder calorífico inferior a distintos contenidos de humedad de algunos de los recursos de biomasa más habituales.

Tabla 1: Poder calórico de diferentes biomasas

Calor específico de combustión, calor de combustión, valor calórico, o potencia calórica es la cantidad de calor que se desprende, cuando ocurre la combustión completa de la unidad masa y se expresa en kJ/kg en el caso de los combustibles sólidos y líquidos, si en condiciones de laboratorio se determina la totalidad del calor específico de combustión hasta enfriar los productos hasta la temperatura ambiente se obtendrá el llamado calor específico de combustión superior (Roque Díaz Pablo 1990) (26).

Una de las formas más comunes para la obtención de energía de la biomasa es la combustión directa, la combustión de un combustible es el proceso Físico-Químico Complejo, durante el cual los componentes quemables se combinan con el oxígeno liberando una determinada cantidad de calor. Para que la combustión se produzca en todo el volumen debe existir además del oxígeno (puro o del aire) una temperatura de autoignición pues de lo contrario la llama se extingue y se detiene el proceso de combustión.

Una gran importancia en el proceso de combustión tiene también la mezcla obtenida entre el combustible y el oxidante (comburente), así como el tipo de combustible ya que cada uno de ellos está caracterizado por su forma de combustión lo que determina el tiempo en que este proceso transcurre.

Por todo lo anterior se puede concluir que para que se produzca la combustión debe existir además de combustible y oxidante, lo que se conoce como las tres T de la combustión que son: temperatura, turbulencia y tiempo. En calidad de oxidante generalmente se utiliza el aire atmosférico (Steverson, E. M., Semler, T. T. and Goldsberry, J. A 1985) (30).

I.1.4 Instalaciones donde es posible utilizar la biomasa

Como se ha visto hasta ahora, multitud de recursos quedan agrupados bajo el término genérico biomasa. Esta enorme variedad unida a la capacidad de adaptación de las tecnologías de aprovechamiento energético a los diferentes recursos existentes, causan que, en la actualidad, muchas de las actividades industriales podrían satisfacer toda o parte de su demanda energética con biomasa.

No obstante, para poder utilizar esta energía renovable es necesario cumplir dos condiciones:

1.- Disponer de una fuente de biomasa cercana a precios razonables.

Las empresas que disponen en sus propias instalaciones de biomasa residual son las que, con mayor facilidad, pueden plantearse la posibilidad de un aprovechamiento energético puesto que se suele tratar de unos recursos con valor de mercado muy bajo, pudiendo suponer incluso un coste el deshacerse de ellos.

En varios países las empresas que no disponen de biomasa residual propia pueden adquirir ésta en el mercado. Aunque todavía no del todo desarrolladas, ya existen cadenas de distribución de estos recursos que permiten adquirirlos a un coste enormemente competitivo frente a los tradicionales.

2.- Tener unos consumos energéticos suficientes para que la instalación sea rentable.

Mientras que para el aprovechamiento de algunos tipos de biomasa en la generación de energía térmica cualquier tamaño de instalación suele ser rentable, en el caso de producción de energía eléctrica o mecánica son necesarios unos consumos mucho más elevados.

Aplicaciones energéticas.

Con biomasa se puede generar energía térmica (agua o aire caliente, vapor, etc.), energía eléctrica e incluso mecánica mediante el uso de biocarburantes en motores de combustión interna:

Generación de energía térmica: El sistema más extendido para este tipo de aprovechamiento está basado en la combustión de biomasa sólida, aunque también es posible quemar el biogás procedente de la digestión anaerobia de un residuo líquido o el gas de síntesis generado en la gasificación de uno sólido.

Generación de energía eléctrica: En función del tipo y cantidad de biomasa disponible varía la tecnología más adecuada a emplear para este fin.

• Ciclo de vapor: está basado en la combustión de biomasa, a partir de la cual se genera vapor que es posteriormente expandido en una turbina de vapor.
• Turbina de gas: utiliza gas de síntesis procedente de la gasificación de un recurso sólido. Si los gases de escape de la turbina se aprovechan en un ciclo de vapor se habla de un ciclo combinado.
• Motor alternativo: utiliza gas de síntesis procedente de la gasificación de un recurso sólido o biogás procedente de una digestión anaerobia.

Generación de energía mecánica: Los biocarburantes pueden ser empleados en los motores alternativos de automóviles, camiones, autobuses, etc., sustituyendo total o parcialmente a los combustibles fósiles. La utilización de biocarburantes es especialmente interesante en industrias agrarias que dispongan de una adecuada materia prima para su producción (aceites reciclados, colza, girasol, maíz, trigo, pataca, etc.) y que puedan autoconsumirlos (por ejemplo en tractores), llegando a suponer importantes ahorros en la factura de los combustibles.

I.1.5 Ventajas y desventajas que pueden presentar su uso

La utilización energética de la biomasa presenta, debido a sus características, pequeños inconvenientes con relación a los combustibles fósiles:

• Los rendimientos de las calderas de biomasa son algo inferiores a los de las que usan un combustible fósil líquido o gaseoso.
• La biomasa posee menor densidad energética, o lo que es lo mismo, para conseguir la misma cantidad de energía es necesario utilizar más cantidad de recurso. Esto hace que los sistemas de almacenamiento sean, en general, mayores.
• Los sistemas de alimentación de combustible y eliminación de cenizas son más complejos y requieren unos mayores costes de operación y mantenimiento (respecto a las que usan un combustible fósil líquido o gaseoso). No obstante, cada vez existen en el mercado sistemas más automatizados que van minimizando este inconveniente.
• Los canales de distribución de la biomasa no está tan desarrollados como los de los combustibles fósiles (sólo aplicable en el caso en que los recursos no sean propios).
• Muchos de estos recursos tienen elevados contenidos de humedad, lo que hace que en determinadas aplicaciones puede ser necesario un proceso previo de secado. (Sebastián Fernando, Javier Royo, CIRCE, Universidad de Zaragoza. 2002) (28)

I.2 BRIQUETEADO, VARIABLES Y SU INFLUENCIA

I.2.1 Densificación

Como se conoce, la mayoría de las desventajas que tiene el uso de la biomasa como combustible se derivan de su baja densidad física y energética. Por eso es tan importante su densificación. La densificación de la biomasa se puede definir como su compresión o compactación, para disminuir los espacios vacíos entre las partículas y dentro de las partículas.

Productos compactados con menos de 30 mm de diámetro son considerados convencionalmente pellets y con diámetros mayores, briquetas. Los productos compactados no aglutinados son conocidos por bultos o pacas.

Inexplicablemente, aunque las tecnologías de densificación datan del siglo pasado, no existe en la literatura consultada fundamentación0 teórica precisa alrededor del tema y los procesos que intervienen en este fenómeno.

La formación de briquetas, pellets, pacas, etc. se justifica no sólo por la reducción del volumen de los combustibles, sino también por la transformación de sus propiedades.

En los últimos años se ha venido creando una conciencia cada vez mayor sobre el empleo de residuos de madera compactada en forma de briquetas, bolas o "tramos", como combustible doméstico o industrial.

Las briquetas se forman generalmente haciendo pasar el aserrín o las virutas secas a través de un troquel cilíndrico partido, usando un vástago hidráulico. La presión ejercida, de unos 1 200 Kg/cm2, y el calor resultante generado aglomera las partículas de madera en forma de "leños" artificiales.

La producción de bolas o pellets supone la reducción de los residuos de madera al tamaño del aserrín, y luego se secan aproximadamente al 12 por ciento de contenido de humedad (c.h) antes de su extrusión en molinos agrícolas especialmente adaptados para formar cilindros de unos 6 a 18 mm de diámetro y de 15 a 30 mm de largo, con una densidad del orden de 950 a 1 300 Kg/m3. El secado de la materia antes de su extrusión se suele realizar en secadoras de tambores giratorios, caldeadas por un 15 a 20 por ciento de la producción de bolas de la planta.

Aunque de la densificación resulta un producto con unas características excelentes de manipulación y almacenamiento, con una concentración de energía equivalente al cuádruplo del combustible de madera, reduciendo así considerablemente los gastos de transporte y mejorando el rendimiento de las calderas, se ha llegado a la conclusión de que las grandes inversiones de capital que se requieren en la planta de tratamiento y sus costos de funcionamiento sólo resultan económicamente interesantes si la distancia desde donde procede la materia prima que hay que transportar no pasa de 250 Km. (Combustibles sólidos de baja densidad) (4).

I.2.2 Aspectos fundamentales a tener en cuenta a la hora de densificar

Se deben tener en cuenta fundamentalmente a la hora de abordar un proyecto para la densificación de biomasa, los siguientes aspectos:

• Que los productos (pellets, briquetas, etc.) mantengan sus propiedades como sólidos compactados hasta que cumplan su función (durante su manipulación, transporte, almacenaje, dosificación y combustión).
• Que se comporten satisfactoriamente como combustibles, dentro de un sistema integral concebido.

Las biomasas como la paja de caña, la cáscara de arroz y el aserrín con su "elasticidad natural", requieren para su densificación en briquetas, mayores presiones que los materiales inorgánicos, debido a la necesidad de romper las paredes celulares mediante presión y temperatura.

Idealmente, para concebir un proyecto de utilización, se analizan los requerimientos del transporte, manipulación, almacenaje y combustión, calidad del servicio energético, impactos al medio y sobre los productos, residuales y desechos, etc., y luego, a partir de las características físicas y químicas del combustible sólido de baja densidad disponible, se escoge el método de preparación y densificación óptima y la máquina capaz de lograrlo, la transportación y el almacenaje, el sistema de combustión, etc.

Según el criterio de una empresa española productora de briquetas y pellets de aserrín:

"El mayor enemigo que a las técnicas de densificación se les presenta es su aparente sencillez." La gente le ve tal facilidad aparente que muchos, por ejemplo en España, han adquirido máquinas briqueteadoras o pelletizadoras estándar, de firmas reconocidas y "sencillamente" después de múltiples intentos la mayoría ha tenido que abandonar los proyectos, o ha quebrado.

El éxito de un proyecto de producción de briquetas con fines energéticos lo fundamentan dos conceptos.

• Tenacidad y confianza en la investigación aplicada.
• La integralidad del concepto. El combustible, la briqueta, es sólo una parte: el "portador". Lo esencial es el servicio energético que se logre integralmente.

I.2.3 La humedad inicial del material biomásico a tratar

Por una parte a causa de las grandes presiones internas que se levantan en las prensas de pistón, sólo se pudieran "briquetear" combustibles relativamente secos. El incremento de la humedad causa mayor cantidad de vapor de agua que se genera durante la compresión, el cual o rompe la briqueta por su superficie al enfriarse o puede producir una explosión que lanza la briqueta como un proyectil. En el caso de un brusco incremento de la humedad en el material de la entrada, la explosión de vapor puede incluso dañar la prensa.

Por otra parte mientras menor sea la humedad del material inicial, la fricción en el proceso aumenta y con ello se incrementa la demanda de energía. Los límites de humedad dependen del material y el tipo de "briqueteadora" que se utiliza, normalmente se acepta como humedad óptima alrededor de 7 %, permitiéndose como límite inferior 5 % y como superior 15 %. En algunos casos específicos se reporta hasta 20 % de humedad.

Estas limitaciones de humedad y el control de la homogeneidad del proceso, exigirían en muchos casos el secado como paso previo o al menos el control de la humedad.

Desde luego, en nuestro caso, para el aserrín., se trataría casi siempre de secado natural, solar, por nuestras condiciones climáticas. Esto siempre añade costos de inversión y manipulación.

I.2.4 Tamaño de las partículas, granulometría y presión de prensado

En la formación de bultos o pacas, por lo general, el tamaño de la partícula tiene menor importancia y mientras más largas éstas sean se facilita el amarre o tejido. Para la formación de briquetas se acepta que sólo lo que puedas palear, lo podrás briquetear. En general, el material a briquetear idealmente deberá contener partículas largas y cortas. La longitud misma de la partícula dependerá del material y diámetro del dado. Mientras mayor sea la máquina y el dado, mayor podrá ser la partícula, por ejemplo para dados de 125 mm de diámetro, la partícula más larga será de 15 mm. En muchos casos esta restricción obliga a introducir la molienda previa del material, obviamente la paja de caña requerirá de su molienda previa para la producción de briquetas y pellets.

La densificación que se produce durante la formación de briquetas comprende dos procesos bien definidos:

• La compactación volumétrica bajo presión del material disperso que aumenta su densidad.
• La aglomeración o aglutinación del material que permite que el mismo mantenga su compactación como producto.

Tres factores inciden y regulan este proceso:

• La composición física y química del material.
• La presión dinámica.
• La temperatura interna del proceso y externa (en el dado).

Por lo general, las biomasas residuales como compuestos ligno-celulósicos, aportan la lignina propia como aglutinante, no comportándose así el aserrín que necesita de un aglutinante para que mantengan sus propiedades como sólidos compactados durante su manipulación, transporte, almacenaje, dosificación y combustión.

La temperatura, dependiendo de la briqueteadora, se relaciona con la presión debido a la fricción interna entre las partículas y con la pared del dado y algunas veces se usan fuentes externas de calor (se calienta el dado en su sección de entrada).

El que se use un aglutinante externo o no depende de la briqueteadora que se utilice y del material original. En máquinas de alta presión (>100 MPa), raramente se usa aglutinante externo, en medias presiones (5-100 MPa) depende del material y su compactación, en bajas presiones hasta 5 MPa siempre es necesario añadir aglutinante. Por ejemplo, cuando se calienta la madera (aserrín) sobre su rango de temperatura de plasticidad (165 oC) se pierde su elasticidad y se comprime más fácilmente.

La humedad, desempeña un importante papel en la densificación, ayuda a la transferencia del calor y mejora la plasticidad del material. Si el material está muy húmedo o muy seco las presiones necesarias se incrementan drásticamente.

Algunas veces se usan aditivos para facilitar el encendido uniforme y mejorar las características del combustible.

El uso de la biomasa como combustible no es una necesidad de los países pobres y subdesarrollados, sino de todos los países del mundo en la lucha contra la contaminación y por lograr el desarrollo sostenible. (Combustibles sólidos de baja densidad) (4).

I.2.5 Ventajas de las briquetas

Briquetas un combustible limpio y barato.

Restos de madera, virutas, etc. son desechos que ocupan un valioso espacio. Gracias a las briquetas compactas se rebajan los gastos de almacenaje y de transporte. Además es un combustible a almacenar muy seguro ya que el peligro de que las briquetas ardan por sí mismas durante su almacenaje es mínimo.

Un elemento a tener presente es el rendimiento en combustible quemado de las briquetas, siendo una característica muy importante que debe ser evaluada. Está definida como la razón entre la cantidad en peso de briquetas quemadas, y la máxima cantidad de material que puede ser quemado.

Elevado rendimiento en combustible quemado con valores de hasta el 98%.

"Al quemar un kilogramo de briqueta estamos ahorrando tres kilogramos de leña".

I.3 APROVECHAMIENTO POTENCIAL DE LOS RESIDUOS DE MADERA EN LOS ASERRÍOS

La industria del aserrío tiene las posibilidades de producir con los desechos de los aserraderos y de las carpinterías (el aserrín) tableros contrachapados y de partículas, o podría brindar energía térmica mediante su combustión.

A lo largo de los años, muchos aserraderos han considerado los residuos de madera como un subproducto engorroso de la operación de aserrío, con su consiguiente eliminación para relleno de terrenos o incinerándolos en quemadores Wigwam. Sin embargo, estos dos destinos se han convertido últimamente en problemas ambientales contenciosos y, todo ello combinado con el aumento de los costos energéticos, ha hecho que los dueños de aserraderos se hayan visto obligados a pensar seriamente en las ventajas de emplear los residuos como fuente alternativa de combustible: esto ha coincidido también con el aumento de la demanda de residuos como material para la fabricación de pastapapel y tableros, dado el aumento del costo de la madera sólida y su mayor competitividad.

Actualmente, la mayoría de las instalaciones de elaboración de la madera que se construyen en los países desarrollados incorporan quemadores de aserrín basto para ahorrar así determinados suministros costosos de combustibles fósiles.

I.3.1 Fuentes de residuos de madera

Puede afirmarse que de un árbol corriente, se obtienen menos de las dos terceras partes para su ulterior elaboración, mientras el tercio restante o se queda abandonado, se quema o lo recogen como leña los habitantes del lugar. Después de la elaboración, sólo un 28 por ciento del árbol se convierte en madera aserrada, quedándose el resto en residuos como se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 2. Distribución de un árbol corriente apeado para madera de aserrío

Residuos forestales

No es raro que un 60 por ciento del total del árbol talado se quede en el bosque y que las especies no comerciales se dejen para corta y quema, o simplemente se talen y se dejen pudrir para facilitar el acceso a la extracción de árboles. Las prácticas de aserrar y escuadrar los rollizos en el bosque en lugar de hacerlo en el aserradero hacen que se desperdicie del ocho al diez por ciento y de 30 a 50 por ciento, respectivamente.

Todos los residuos de la madera y su corteza, que se suelen denominar comúnmente aserrín basto debido al proceso de reducir el tamaño de los residuos en una "desmenuzadora" tienen valor como combustible, aunque se produce en una gran gama de tamaños con diverso contenido de humedad, como se indica en el Cuadro 10, y comprenden principalmente los siguientes:

• Corteza, que constituye de un 10 a un 22 por ciento del volumen total de la troza según tamaño y especie, y cuya eliminación puede suponer un grave problema a no ser que pueda utilizarse como combustible o eliminarse antes de la preparación de la troza.
• Residuos secundarios, como costeros, desperdicios de canteado, recortes, incluso de chapas, recortes de aserrío y de tableros de partículas, que cuando se reduce su tamaño se convierten en un combustible ideal, especialmente cuando están secos. También tienen valor de reventa como material para pasta y tableros de partículas.
• Las almas, procedentes de trozas para el desenrollo de chapas, y que se venden por lo general a los aserraderos como madera aserrada o como partículas o astillas para pulpa.
• Aserrín, que es el producto de todas las operaciones mecánicas de elaboración de la madera, especialmente del aserrío, y que por lo general no se considera como material primario para la fabricación de pasta debido a su diminuto tamaño, aunque resulta aceptable para la fabricación de tableros de partículas.
• Virutas de cepillado, que proceden del dimensionamiento y alisado de la madera aserrada, de la madera contrachapada y de los tableros de partículas con cepillos durante la fase de acabado. Se consideran ideales para la producción de tableros de partículas y son excelentes para el caldeo de hornos y secadoras.
• Lijaduras, que se producen durante el lijado abrasivo de la madera aserrada, de los tableros contrachapados y de partículas durante la fase de acabado. Debido a su tamaño y a su bajísimo contenido de humedad se prestan muy bien al caldeo directo.
• Residuos de tableros de partículas, que son del orden de un cinco por ciento y que tienen escasa importancia en comparación con los que se producen en otras industrias mecánicas a base de madera, pues en buena parte se reciclan dentro del proceso productivo. En realidad, los residuos procedentes del aserrío y de la fabricación de tableros contrachapados constituyen gran parte del material que sirve para los tableros de partículas.

I.3.2 Valor de los residuos madereros como combustible

Valor calorífico

Cuando se evalúan las propiedades de un material combustible en función de su utilización como tal, el valor calorífico, expresado en este documento como valor calorífico superior, es uno de los factores más importantes, que indica la cantidad de energía térmica que puede obtenerse quemando una unidad de masa del material.

El valor calorífico de la madera depende muchísimo de las especies y de la parte del árbol que se aproveche; varía entre 17 y 23 MJ/kg de madera en seco (MS); generalmente las coníferas tienen valores calóricos superiores a las maderas duras o frondosas, con un valor medio de 21 MJ/kg (MS) para maderas resinosas y 19,8 MJ/kg MS para otras maderas que se emplean. En efecto, hay escasísima variación en los valores caloríficos de las propias sustancias de la madera, siendo de 19 MJ/kg MS, por ser en efecto ésa la variación en el contenido de resina, con un valor calorífico de 40 MJ/kg MS, que corresponde a las diferencias en valores entre especies. Ese es el motivo por el que la corteza, con un alto contenido de goma y resina, suele tener un valor superior al de la madera.

Sin embargo, aunque el valor de combustible puede ser bastante sustancial en la madera seca, el valor calorífico depende de varios factores, a saber, el contenido de humedad, el tamaño de las partículas, el tipo y eficiencia del equipo de combustión que se emplee y el grado de funcionamiento y mantenimiento. Por eso, para formarse una idea cabal de los valores caloríficos de varias resinas de madera hay que tener en cuenta el contenido térmico unitario de los residuos según su contenido de humedad, junto con la eficiencia del proceso de transformación energética, que, según se indica en el Cuadro 9, ofrece un análisis comparativo que habrá de hacerse con otros combustibles alternativos (Ver Tabla 3).

Tabla 3. Efecto del contenido de humedad en el valor calorífico neto de la madera comparado con el de otros combustibles

I.3.3 Efecto del contenido de humedad y del tamaño de las partículas en los valores caloríficos

La madera cuando se extrae en el bosque tiene por lo general un contenido de humedad de un 50 a un 55 por ciento, aunque ese grado varía según la especie, edad y parte del árbol del que procede el material, según se trate de ramas, tronco, etc. Respecto a esta media se dan ulteriores fluctuaciones en las que influye la estación en la que se corta la madera y la forma en que se transporta al aserradero y se almacena allí.

Los almacenamientos en primavera y verano podrían causar una pérdida de humedad del 10 al 25 por ciento.

El contenido de humedad de los residuos industriales depende muchísimo de la fase del proceso en que se extraiga y si ha habido algún secado del producto antes de esa fase. Por ejemplo, las lijaduras de tableros contrachapados o tableros de partículas se sacan de la fábrica después de los secadores y de las prensas en caliente, cuando su contenido de humedad podría bajar hasta un 10 por ciento o menos, conforme se indica en la Tabla 4.

Tabla 4. Serie de características de residuos madereros corrientes

I.3.4 Reducción de tamaño y selección

Mientras el aserrín, las virutas y las lijaduras pueden quemarse directamente sin necesidad de ulterior tratamiento, hay otras formas de residuos madereros que tienen que reducirse de tamaño para facilitar su manipulación, almacenamiento y su paso regulado a la cámara de combustión. Si se consigue un tamaño uniforme de partículas, se mejorará la eficiencia de la combustión debido al ritmo uniforme y controlado de entrada de combustible y a la posibilidad de regular el paso del aire. Además, en el caso de combustibles con gran contenido de humedad, el proceso de reducción expone una mayor parte de la superficie de la partícula a los gases de caldeo, liberando así la humedad más rápidamente, con lo que se refuerza su valor calorífico.

La reducción del tamaño puede realizarse en varias etapas con una desmenuzadora o una trituradora, procediéndose al cribado antes y entre estas operaciones.

Secado del combustible

Como ya se ha indicado,  la eficiencia de la combustión, el control de los parámetros de trabajo y la capacidad del operador para responder rápidamente a los cambios del régimen de trabajo en hornos o calderas resultan muy difíciles de controlar cuando el contenido de humedad en el combustible es elevado y fluctuante. Estas situaciones pueden mejorar si se seca el combustible, lo que también repercutirá en un incremento de la capacidad de trabajo y dará lugar a un mejor control de la emisión.

La humedad de los residuos puede reducirse mediante prensado mecánico, secado al aire o el empleo de secadores de aire caliente, o combinando los tres procedimientos. La práctica comúnmente seguida es que las prensas mecánicas se empleen en las cortezas y residuos de madera con niveles de humedad superiores al 70 por ciento para reducirlo al 55 ó 60 por ciento de c.h., lo que permitiría entonces que el residuo se mezclara con los materiales que entran en la secadora para producir así un elemento combustible.

Ahora bien, en el caso de que se disponga fácilmente de suficientes suministros de residuos de madera para cubrir las necesidades energéticas de la planta, y la eliminación de las cortezas no suponga un grave problema para el aserradero, entonces no estaría justificado económicamente que las cortezas se sometan a prensado y secado dada su necesidad de mantenimiento, la demanda de energía y las instalaciones de gran intensidad de capital que harían falta para ello.

El secado al aire de los residuos de la extracción de madera de los bosques, suponiendo que predominen unas condiciones climáticas adecuadas, puede producir una pérdida de humedad de un 10 a un 15 por ciento, que puede incluso bajar aún más al 25 por ciento si los residuos se dejan en espacios sin árboles expuestos a la acción del viento y del sol. El secado al aire de los residuos industriales, siempre qué lo permitan el tiempo y el espacio, es preferible que se haga en zonas cubiertas y bien ventiladas, especialmente para los residuos de menor tamaño como el aserrín, que es más propenso a absorber el agua de lluvia y necesita más tiempo para secarse al aire que los residuos de madera mixtos. (Aprovechamiento Potencial de los Residuos de madera para la Producción de Energía)(9).

I.4 LA FABRICACIÓN ARTESANAL DE LADRILLOS

La parte más compleja del proceso artesanal de elaboración de ladrillos, desde el punto de vista de su impacto sobre el medio ambiente, se centra en su cocción y principalmente, en la combustión del horno. Este consiste en hacer arder leña contenida en las troneras. Dada la mala ventilación de éstas, se produce un fuego carente de oxígeno, lo que provoca abundante emisión de humos y olores de leña mal combustionada. De acuerdo al tamaño del horno, se procede a cerrar las troneras, de manera que se produzca un tiraje de calor hacia las capas superiores. Es aquí donde se producen emisiones de vapores de agua del ladrillo y olores de emisiones del carbón. (Comisión Nacional de Medio Ambiente 2001) (7)

En la actualidad se estudia en algunas zonas de nuestro país la producción artesanal de ladrillos, empleando residuos de la industria forestal como el aserrín. En tal sentido se estudia la producción de bloques sólidos combustibles, que en algunos casos han sido usados para quemas de ladrillos en forma experimental, sin llegar todavía a obtener los resultados necesarios para su generalización. Uno de los lugares donde más se ha avanzado en el empleo de los bloques sólidos combustibles es en la cooperativa "Joaquín Bernal" en Manicaragua, Villa Clara, donde los fabricantes de ladrillos artesanales pretenden reemplazar el uso de leña en el horno por briquetas de aserrín, y adoptar medidas tendentes a mejorar las condiciones de higiene y seguridad en esta actividad. El proveedor de aserrín en este caso será la Unidad Básica de Producción Aserrío "Víctor Martínez" de Manicaragua. La fabricación de ladrillo es una actividad productiva que, además de dar sustento a muchas familias en el país, genera un insumo básico para la construcción.

I.4.1 Ladrillos rojos

En función del régimen térmico del horno donde se realice la quema de los ladrillos, éstos variarán sus propiedades. El régimen térmico además de la operación del horno dependerá del combustible que se emplee, pero en cualquier situación deberá garantizarse que el producto final cumpla con las Normas Técnicas para la Calidad.

Los requisitos obligatorios que imponen las normas son alternativamente evaluar la resistencia a la compresión o la densidad. Si sólo se evalúa la densidad del ladrillo, ésta debe tener un valor mínimo de 1.5 gr/cm3 en la clase I, y 1.6 gr/cm3 en la clase II. Si sólo se evalúa la resistencia a la compresión, ésta debe tener un valor mínimo de 60 N/cm2 en la clase I y 60 N/cm2 en la clase II. La clase III, exige ya como requisito una resistencia mínima a la compresión de 95 N/cm2 y simultáneamente una densidad mínima de 1.6 gr/cm3, lo cual en caso de ladrillos artesanales es muy difícil de conseguir. Si bien parece más fácil evaluar la densidad que la resistencia a la compresión, las normas especifican las metodologías a seguir para determinarla, lo que incluye tener balanzas de 0.5 gr. de precisión y muflas (hornos), así como accesorios. Ello nos obliga a recurrir a laboratorios. "En el Perú el costo de cada ensayo varía de 27 a 45 dólares, pues se requiere de tres a cinco ladrillos como lote mínimo para determinar valores promedios. Evaluaciones aproximadas de la densidad efectuadas por ITDG, indican que en los últimos ensayos, la metodología de quema tradicional mixta (carbón en la carga y leña en el encendido), produciría ladrillos de clase III; mientras que la tecnología que viene adaptando ITDG (carbón en la carga y briquetas de carbón en el encendido), produciría ladrillos de clases I y clases II. Los resultados de laboratorio confirmaron que la calidad de los ladrillos obtenidos con la segunda alternativa de encendido para la quema es superior, según se aprecia en la siguiente tabla, sin embargo es conveniente confirmar estos resultados preliminares con evaluaciones posteriores.

Tabla 5. Ensayos de rotura a la compresión

I.5 ASPECTOS FUNDAMENTALES ACERCA DEL DISEÑO EXPERIMENTAL

El diseño de un experimento es el procedimiento de selección del número de vías y condiciones suficientes y esenciales para dar solución a un problema planteado con la precisión requerida, brindando un error en la determinación de los efectos de interés mucho menor que otro método.

Es frecuente que los científicos necesiten enfrentarse a numerosos problemas relacionados con la realización de experimentos más o menos costosos y complejos con el objetivo de obtener información sobre el sistema en estudio. Muchos son los ejemplos que pueden citarse al respecto: condiciones de realización de un experimento, la influencia de factores sobre las propiedades físico-químicas de un producto, y otras. En la mayoría de estos problemas, se investiga cómo influyen diferentes condiciones de obtención sobre una propiedad o característica del sistema investigado.

I.5.1 La importancia del diseño experimental

La importancia de un diseño de experimento radica en que disminuye, de forma considerable, la inversión de tiempo, recursos materiales y humanos, estudia la variación simultánea de las variables determinantes del proceso, utiliza un aparato matemático que formaliza muchas acciones del experimento (planificación, preparación y realización) y brinda estrategias claras luego de tomar decisiones sustentadas a partir de cada serie de experimentos.

Para realizar un diseño de experimento es necesario conocer el objeto de investigación, para lo cual se establece un método cibernético que consta de los parámetros de optimización y de los factores.

Un parámetro de optimización debe ser:

• Efectivo desde el punto de vista investigativo;
• De naturaleza universal;
• Cuantitativo y expresado mediante un valor único;
• Efectivo estadísticamente;
• Con un significado simple y fácil de calcular;
• Existente para todos los estados distinguibles.

I.5.2 Algunos conceptos generales relacionados con el diseño factorial experimental

Factor: Las variables independientes que influyen o pueden influir sobre el proceso investigativo determinado son conocidas con el nombre de factores.

En un proceso de obtención de las briquetas los factores pueden ser: la presión, el tiempo al que permanezca comprimida la briqueta a la Pmáx., la cantidad de aglutinante, etc. Las variables son designadas con la letra X, o sea: x1, x2,…xn, correspondientes a los factores 1, 2,… n respectivamente.

Función respuesta: Cuando se realiza un experimento, los resultados se expresan a través de una o más variables dependientes, por ejemplo en la obtención de las briquetas, las variables son: la resistencia obtenida para su manipulación, el valor calórico, la densidad, el tiempo de secado y sus propiedades para la combustión entre otros. Estas propiedades que generalmente constituyen el blanco u objeto de estudio, son conocidas como función respuesta y se representan con la letra Y. La función respuesta es función de los factores y puede expresarse como:

Tabla 6. Matriz factorial

Nivel del factor: Es el valor que puede tomar un factor; y el conjunto de factores que condicionan una vía.

Superficie de nivel: La forma geométrica de la función respuesta como función de los factores, es conocida como superficie de nivel.

Espacio factorial: Se denomina así al espacio comprendido por los ejes del sistema de coordenadas en que se representan los valores de los factores.

Reproducibilidad de los experimentos: Es necesario que los experimentos sean reproducibles. De no ser así, o de tener el experimento baja reproducibilidad no se llegará a conclusiones muy útiles en cuanto a la optimización del proceso experimental.

Con el objetivo de verificar la reproducibilidad de los experimentos se realizan varias series de determinaciones paralelas en la región del espacio factorial que se investiga y sus dispersiones pueden ser comparadas.

Modelo matemático: Un modelo matemático es una ecuación o sistema de ecuaciones que relaciona la función respuesta con los factores que influyen sobre éste. En ocasiones, el modelo matemático es denominado descripción matemática.

Con la ayuda de los métodos matemáticos de diseño óptimo de experimentos, es posible obtener un modelo matemático de cualquier proceso físico-químico, sin tener ningún dato sobre el mecanismo del proceso.

El modelo matemático, descripción matemática o modelo estadístico experimental, no es más que una ecuación de regresión que se obtiene a partir de datos experimentales. (Metodología de la Investigación 2003) (20).

Bibliografía.

1. Batacharya, S. C., Sett, S. and Shrestha, R. M. State of the Art of Biomass Densification. Edited by Taylor and Francis. Division of Energy Technology. Energy Sources. New York, 11, 3, pp.161-186, 1989.
2. Biomass Users Network (BUN-CA), 2002.
3. Castellón Salas Luís Ernesto "Tecnología para la obtención de Biomasa densificada en condiciones de pequeña industria", UCLV, Facultad de Construcciones, Departamento de Ingeniería Civil, 2003.
4. Combustibles sólidos de baja densidad, La densificacion de la biomasa: briquetas, pellets, pacas. (segunda parte). http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia13/HTML/articulo03.htm
5. Combustibles sólidos http://zip.rinconv.com/
6. Comisión Nacional de Energía: Resultados preliminares del análisis de las fuentes alternativas de energía en Cuba, 1991.
7. Comisión Nacional de Medio Ambiente, Chile, CONAMA-RM – Actualidad APL Ladrilleros.htm 2001.
8. CONAE. "Energía de la Biomasa". Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, México 1999. http://www.conae.gob.mx
9. Conservación de la Energía en las Industria Forestales. "Aprovechamiento Potencial de los Residuos de madera para la Producción de Energías", (Capítulo 6). http://www.fao.org/documents/show_cdr.asp?url_file=/docrep/t0269s/T0269S10.htm
10. Cukierman A. L., Della Rocca P. A., Bonelli P. R.; Cassanello M. C. On the Study of Thermochemical Biomass Conversion. Trends in Chemical Engineering, 3, 129-144, 1996.
11. Días do Santos Paulo "Tecnología para la obtención de Bloques Sólidos Combustibles (BSC) en condiciones locales", Santa Clara, 2002, Facultad de Construcciones, Departamento de Ingeniería Civil, Tesis de Maestría.
12. Díaz Río. Junio 1999.
13. Domínguez Domínguez, J.; González Valdez, M.; Muñoz Hernández, G. Una estrategia para optimizar el proceso de densificación mecánica de residuos agrícolas y agroindustriales. Agrociencia, 36, 5, pp. 593-604, septiembre-octubre, 2002.
14. Domínguez, D. J., González, V., Muños, H. G. "Una Estrategia para Optimizar el Proceso de Densificación Mecánica de residuos Agrícolas y Agroindustriales", Centro de Investigación en Matemáticas, México.
15. Energía de la Biomasa. Agosto 2001.
16. Erickson, S. and Prior, M. The briquetting of agricultural wastes for fuel. Food and Agricultural Organization of the United Nations, p. 131, 1990.
17. Faborode, M. O. and O’Callaghan, J. R. Optimizing the Compression briquetting of Fibrous Agricultural Materials. Journal of Agricultural Engineering Research. London Academic Press. pp: 245-262, 1987.
18. Gestión e Impacto Ambiental LA BIOMASA 2005. http://www.estrucplan.com.ar
19. H. G. WINKELMANN Director del Departamento Central de Silvicultura de Solothurn, Suiza ¨La madera como combustible¨ http://www.fao.org/documents/show_cdr.asp?url_file=/docrep/x5375S/x5375s05.htm.
20. Hernández Sampieri Roberto "Metodología de la Investigación" Tomo 1, Editorial Félix Varela, La Habana 2003.
21. Manuales sobre energía renovable: Biomasa
22. Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, 2004 htpp://www.fao.org.
23. Pequeños gasificadores de madera y carbón vegetal http://www.fao.org/docrep/T0512s/t0512s03.htm.
24. Robles-Gil Sandra. Información Climatológica para la aplicación de la energía de la biomasa. La Paz, México. Agosto 2001. http://www.wmo.ch/web/wcp/clips2001/html/Reporte%20Biomasa.pdf
25. Rodríguez Hurtado Saylin "Densificación de biomasa agrícolas para la obtención del Bloque Sólido Combustible", UCLV, facultad de Construcciones, (2000).
26. Roque Díaz Pablo "Combustión" Universidad Central de Las Villas, Santa Clara, 1990.
27. Santamaría Flores José , "Las Energías Renovables son el futuro", 2004
28. Sebastián F., Royo J., "La Biomasa como Fuente de Energía Renovadle", CIRCE, Universidad de Zaragoza, 2002, http://www.cps.unizar.es
29. Sitkey, G. Mechanics of Agricultural Materials. Budapest, Elsevier Science Publishers. pp. 420-438, 1986.
30. Steverson, E. M., Semler, T. T. and Goldsberry, J. A. An Evaluation of Densification Technologies. EG&G Idaho, Inc. Prepared by U.S. Department of Energy Washington, D.C. p. 136, 1985.
31. Tanquero Díaz Nelson, "Curso de Generadores de Vapor" Puerto Ordaz, Venezuela, 2002.
32. Torres Calero Luís Raúl "Investigación de las propiedades del (BSC) para la producción de Materiales de Construcción".
33. Users Network (BUN-CA). -1 ed. -San José, C.R.:
34. Villegas Aguilar, P. J.; "Aprovechamiento de residuos fibrosos de la industria azucarera mediante procesos de conversión térmica" Tesis Doctoral, Universidad Central de Las Villas, Santa Clara, Cuba, 2000.

Autor:

Ing. Leonardo Gonzáles Mesa

Ingeniero Mecánico

Nacionalidad: Cubana

Dirección: Calle B # 63 % 2da y 3era Cabaiguán, Sancti Spíritus, Cuba.

Centro de Trabajo: Centro de Estudios Energéticos y Procesos Industriales.(CEEPI)

Centro Universitario "José Martí" .

Ave de los Mártires # 360. Sancti Spíritus, Cuba.

Sancti Spíritus Cuba Junio 2005