Biomasa densificada, combustible para la obtención local de materiales de construcción

SÍNTESIS

El presente trabajo pretende exponer los resultados de una investigación experimental con el objetivo de obtener a partir de la energía aportada por la combustión de recursos de biomasa locales materiales de construcción, fundamentalmente ladrillos y la transformación puzolánica del material arcilloso empleado inicialmente en su función aglomerante de los residuos de biomasa, conformados en forma de briquetas con la aplicación de baja presión de compactación.

La investigación estuvo centrada en dos aspectos fundamentales: uno la obtención de un conglomerado de biomasa + material arcilloso aplicando diferentes factores tecnológicos donde se precisa la influencia de las propiedades del aglomerante, una segunda donde se estudia el proceso de combustión del conglomerado determinando su efecto sobre la obtención de ladrillos y la transformación puzolánica de los residuos.

En el trabajo se realiza la formulación o acondicionamiento del conglomerado, a partir de residuos de la industria de la madera, determinando el efecto sobre la densificación de las propiedades de tres suelos con fases arcillosas preponderantemente diferentes, caolinitica, montmorillonitica e illita en cada caso.

En relación con la actividad o cohesividad del material arcilloso se realiza la caracterización del conglomerado, especificando propiedades físico – mecánicas y físico químicas como calor específico de combustión, rendimiento y razón de combustión, la eficiencia como biocombustible se determina en relación con la leña en la obtención de ecomateriales.

Se estudian a su vez las condiciones en que ocurre la combustión del conglomerado de modo que se propicie una quema limpia y completa con un adecuado rendimiento en la transformación puzolánica de la ceniza, para esto se realiza la construcción de un horno experimental en áreas de la Universidad Central Marta Abreu de Las Villas, analizando el proceso en función del contenido de arcilla en el conglomerado y el flujo de aire a través del horno.

Se realizan un grupo importante de mediciones experimentales (inquemados, CO, CO2, temperatura, exceso de aire, etc.), lo cual permite asociar diversos factores realizando la especificación, estimación y validación de diferentes modelos que correlacionan propiedades de los BSC, propiedades del material arcilloso, factores tecnológicos del proceso de fabricación y la obtención de la transformación puzolánica de las cenizas.

1- Introducción:

La tendencia actual en la producción y consumo del cemento está caracterizada por aspectos que permitan obtener aglomerantes más económicos y con menor impacto ambiental (Aitcin Pierre-Claude, 2000)[4], a criterio del autor la aplicación creadora de nuevos paradigmas que refuercen estas tendencias son ineludibles para lograr el crecimiento sostenible de las comunidades.

Como una vía para mejorar el perfil ecológico en la producción y empleo del cemento se propone la adición del aglomerante cal-puzolana [5-7](Martirena, 2003 b, Martínez, 2003, Dopico, 2009), logrando por esta vía una significativa reducción del contenido de clínker en hormigones, lo que contribuye a una efectiva reducción de emisiones de CO2. Sin embargo las condiciones para la obtención de puzolanas artificiales procedentes de materiales arcillosos, sobre todo del material usualmente empleado para fabricar ladrillos en Cuba, no han sido aún suficientemente investigadas para lograr aplicaciones en talleres locales de producción de materiales de construcción.

La pequeña y mediana producción descentralizada de ladrillos, aglomerantes puzolánicos junto a la cal es realizada en muchos casos en condiciones que ocurre la deforestación de grandes extensiones de bosques [8](Betancourt, 2003). En ese sentido la reutilización de desechos procedentes de la biomasa es una alternativa ambientalmente compatible y acorde con las posibilidades técnicas y económicas de los productores locales de ecomateriales.

Este trabajo se concentra en el aserrín desecho de la industria de la madera, identificado como biomasa lignocelulósica dados sus componentes principales [9, 10](Villegas, 2000, Shaw, 2008). El uso de la biomasa como portador energético conlleva la solución de varios problemas científico – técnicos relacionados con su densificación y conversión en combustibles con características uniformes, el proceso disminuye los costos de transportación, disminuye las capacidades necesarias para el almacenaje, incrementa la densidad energética y las propiedades combustibles propiamente [11-14].

La combustión de la biomasa en general y de la madera y sus residuos en particular es un proceso complejo que consiste en varias reacciones de los elementos químicos constitutivos principales y un número importante de reacciones intermedias que ocurren dependiendo de las condiciones en el combustor. Con vistas a garantizar una buena reacción de combustión, deben tenerse presente los aspectos siguientes: [15-17].

? Preparación del combustible, en este trabajo se aborda todo lo relacionado con la densificación del aserrín como combustible sólido y las características que le proporcionan desde el punto de vista físico-mecánico y físico-químico la baja presión aplicada y el uso de material arcilloso como aglomerante.

? Características del horno, determinan la interacción de la mezcla del combustible y el aire, el factor o relación combustible – comburente llamado coeficiente de exceso de aire toma para la leña valores en el intervalo de 2 – 3, este trabajo sin embargo no se propone realizar modificaciones a los diseños de los hornos actuales.

La mayoría de las desventajas que tiene el uso de la biomasa como combustible se derivan de su baja densidad física y energética. 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 mismas. En esta etapa se realiza la discusión sobre los aspectos que caracterizan los procesos de densificación de la biomasa lo cual implica el uso de alguna forma de presión mecánica para reducir su volumen y su conversión a una forma sólida, compacta y lo más homogénea posible, la cual es más fácil de manejar, almacenar y transportar que el material original.

Un aspecto conceptual reconocido por los especialistas en el tema de la densificación es el que define el proceso en relación al uso de baja o alta presión de compactación y de que sea o no necesaria la adición de aglomerantes externos, en función de esto se distinguen según Erickson, (1990) los siguientes tipos de densificación o briqueteado:

? Briqueteado de baja presión (< 5 MPa) con aglomerante externo.

? Briqueteado de media presión (5-100 MPa). La adición de aglomerantes externos depende del tipo de biomasa y de la prensa utilizada.

? Briqueteado de alta presión (> 100 MPa) sin aglomerante externo.

Ha sido determinado por diferentes investigadores la interrelación existente entre la fuente de biomasa, la presión aplicada, la adición de aglomerante, la densidad, la resistencia, la durabilidad y algunas otras propiedades de la briqueta tales como el poder calórico, eficiencia en la combustión, temperatura de combustión, capacidad de generar humos y su el nivel de toxicidad, características de la ceniza generada, etc. [18-21].

El análisis de la información demuestra que el tema costos hace prácticamente inviable la adquisición de los equipos de alta presión para los pequeños y medianos productores de ecomateriales, estos costosos equipos pueden estar en el mercado a precios entre 12000 y 40000 €.

Sin embargo los métodos manuales de fabricación de briquetas pueden resultar más apropiados para las poblaciones rurales y pequeños productores locales, la briqueta fabricada con pequeñas prensas manuales de baja presión se mantiene unida sobre todo por la acción del material aglutinante. Suponiendo una ventaja adicional ya que las arcillas pueden ser activadas producto de los cambios de su estructura interna como resultado de la acción del calor procedente de la combustión de la biomasa [5, 22], como objetivo del presente trabajo se investigan las condiciones en las que ocurre la transformación puzolánica del residuo de la combustión del conglomerado biomasa + material arcilloso.

Es de considerar que el mecanismo de formación de las cenizas procedentes de la biomasa no ha sido exhaustivamente estudiado, quedando establecido que su formación depende no solo de la calidad del combustible sino del diseño del dispositivo combustor y las condiciones de combustión (suficiente temperatura, flujo de aire, correcto mezclado y tiempo de residencia) [18].

Por otro lado las propiedades aglomerantes de la arcilla están directamente relacionadas con las características estructurales de los cristales pertenecientes al constituyente principal de la misma. Las redes cristalinas se forman por el apilamiento de delgadísimas láminas dispuestas paralelamente entre sí lo que origina una estructura capaz de deslizarse en condiciones adecuadas de humedad y permite desarrollar las propiedades aglutinantes [23].

La adhesión sobre otros materiales es una propiedad fundamental de las mezclas agua – arcilla de modo de que si un cuerpo extraño se introduce en la mezcla este queda envuelto y unido a las partículas de arcilla a través de la película acuosa[24] estas propiedades aglutinantes de las arcillas están directamente relacionadas con el tipo de constituyente predominante.

Se reportan experiencias en el procesamiento de briquetas de biomasa con la adición de material arcilloso como aglomerante [8, 25, 26], sin embargo no está totalmente esclarecida la relación entre la función aglomerante de la arcilla y algunas propiedades que adquiere el conglomerado.

Se presenta como una adecuada alternativa el bloque sólido combustible (BSC) [27]( este consiste en biomasa densificada a partir de la aplicación de baja presión de compactación, con la adición de un aglomerante arcilloso y en este caso el reciclaje de desechos de la industria del procesamiento de la madera, se persigue transformar el material inicialmente suelto o disperso en un elemento compacto de adecuadas características como combustible sólido.

Es necesario estudiar las características del material arcilloso en interés de su activación como aglomerante y precursor puzolánico. En ese sentido se plantea [28] que el tratamiento térmico de materiales inorgánicos puede originar la formación de nuevas fases en el estado sólido de forma cristalina o amorfa, lo cual depende del tiempo y la temperatura a que es realizado el proceso térmico, el control del proceso es importante para favorecer la descomposición térmica de la materia orgánica y al mismo tiempo la formación de sílice amorfa.

En ese sentido la calidad puzolánica del material resultante depende igualmente de la cantidad de oxígeno actuante durante la combustión que puede favorecer o no las micro porosidades y cantidad de carbón en el producto final, estas condiciones a criterio del autor pueden y deben ser controladas durante la combustión del BSC para obtener el mayor rendimiento en la transformación puzolánica de los materiales inorgánicos procedentes de la arcilla. Se analizan algunos de los procesos tecnológicos que permiten obtener diferentes puzolanas artificiales siendo evidente que los materiales puzolánicos se caracterizan por un alto contenido de sílice (SiO 2O 3), oxido de hierro (Fe 2O 3), alúmina (Al 2) y un alto grado de finura.

El código ASTM 618-92, expone "las puzolanas son materiales silíceos o aluminosos que por sí mismos poseen poco o ningún valor cementante, pero que finamente divididos y en presencia de humedad, pueden reaccionar químicamente con el hidróxido de calcio (Ca(OH)2) a temperatura ambiente para formar compuestos con propiedades cementantes". Resulta en este sentido muy interesante la clasificación propuesta por [29], donde señala a las arcillas activadas térmicamente como puzolanas artificiales, las que precisamente son objeto de estudio del presente trabajo.

En el caso de los materiales arcillosos su activación térmica produce cambios en el área superficial específica y la relación entre la fracción soluble (amorfa) y la cristalina. La conexión resultante depende de la naturaleza inicial de los materiales y de la temperatura de calentamiento la cual provoca la extracción de las moléculas de agua combinadas en su estructura interna, fenómeno conocido como deshidroxilación o remoción de los OH proceso que rompe o modifica de forma irreversible su red cristalina formando una fase de transición cuasi-amorfa con alta reactividad.

Diversos autores reportan como temperatura óptima para obtener reactividad puzolánica en las arcillas los valores entre 650–870°C [22], El efecto del tratamiento térmico aplicado sobre el mineral depende entre otros factores de las características mineralógicas del material y la estructura atómica de sus cristales así como las impurezas presentes y las condiciones reales que se establecen en el dispositivo de termo conversión con lo cual se puede favorecer la ocurrencia de determinadas reacciones[16].

Consecuentemente a criterio de los autores el proceso de modificación estructural de las arcillas reactivas procedentes del BSC (ARPBSC), por la acción del calor que se produce durante la combustión de la biomasa en las condiciones de un horno, puede depender de las propiedades físico mecánicas y químicas del conglomerado, la composición químico – estructural de los minerales arcillosos y la interacción flujo de aire – combustible que provoca cambios en la atmósfera del horno, la temperatura y las propiedades de la ceniza.

2- Formulación de los BSC.

El bloque sólido combustible consiste en un objeto o conglomerado de biomasa densificada, aserrín en este caso, empleando además material arcilloso como aglomerante que posibilita el empleo de baja presión para lograr adecuadas propiedades para su transportación y almacenaje, además se requieren cualidades como combustible y potencial productor de cenizas puzolánicas.

Se prevé la obtención de los BSC con características y en condiciones tales que sea posible ejecutar la densificación al utilizar un equipamiento manual, de modo que los costos de la inversión inicial sean los mínimos, al alcance de las economías de los pequeños productores de ecomateriales.

La densificación de residuos proveniente de la biomasa es una opción atractiva para valorizar y mejorar las propiedades de muchos desechos, pues se disminuyen los costos de su manejo (transporte, almacenaje, etc.) y se mejora el poder calorífico volumétrico. [14, 30]. Sin embargo los estudios sobre la densificación de los desechos agroindustriales, como una disciplina científica, todavía está siendo desarrollada y hasta ahora, en muchos casos, no tienen métodos exactos [21].

Sobre esta base el objetivo principal de este estudio es evaluar el efecto que produce el material arcilloso añadido como aglomerante en las propiedades de calidad de las briquetas mediante la valoración de la densidad, la estabilidad dimensional, la resistencia y las propiedades combustibles, utilizando un dispositivo que permite aplicar una baja presión en el entorno de hasta 5 MPa Determinar así mismo los modelos matemáticos necesarios para describir la relación entre los diferentes factores estadísticamente influyentes.

El material arcilloso se propone como aglomerante pues resulta un material de relativa fácil adquisición y económico, se realiza la evaluación del material arcilloso procedente de diferentes fuentes y la influencia de sus propiedades sobre el proceso de densificación.

2.1- Caracterización de las materias primas:

La industria de la madera aserrada en Cuba produce aproximadamente 70.000 m³ de residuos anuales [31], estos residuos son utilizados irregularmente por la industria avícola y porcina pero en muchos casos no tienen una aplicación concreta bien definida y muchas veces son incinerados sin que el calor generado sea racionalmente utilizado[2].

Los estudios previos realizados en la provincia de Villa Clara para determinar la disponibilidad de residuos provenientes del tratamiento de la madera se identifican claramente como fuente mayoritaria de suministro de materia prima los aserraderos que aportan más del 75% del aserrín generado en la región[3], el resto es aportado por talleres y carpinterías locales, se han localizado importantes fuentes de aserrín y de arcilla como se muestran en la figura 1.

2.1.1- Aserrín, análisis químico – físicos y térmicos:

Desde el punto de vista del análisis de la composición química del material que ha de ser densificado para convertirse en combustible resulta importante determinar la existencia de elementos peligrosos para la salud humana ó que puedan formar compuestos dañinos al medio ambiente; La existencia de algunos de estos elementos está fuertemente restringida para la fabricación de briquetas combustible según algunas normativas consultadas.

Figura 1 Locaciones donde se concentran reservas de aserrín y afloramientos de arcilla. Fuente: [2, 3]

Se colectan muestras aleatoriamente en las instalaciones de procesamiento de la madera Jesús López Carmiño y Crescencio Valdés de la ciudad de Santa Clara y Manicaragua respectivamente.

En la tabla 1 se muestran los resultados del análisis de la distribución del tamaño de las partículas del aserrín colectado aleatoriamente así como la composición química del mismo, se determina que la mayor fracción de partículas está por debajo de los 2.5 milímetros, donde se encuentra más del 85% del material analizado lo cual favorece el proceso de densificación con la aplicación de bajas presiones.

El análisis químico determina la no existencia de trazas de metales pesados u otros elementos que podrán ser perjudiciales al ambiente durante el proceso de combustión de la biomasa. La existencia de algunos de estos elementos está fuertemente restringida para la fabricación de briquetas combustibles según algunas normativas consultadas[32].

Se realiza la caracterización química en términos de análisis próximo y elemental destacando el alto contenido de volátiles, sobre el 80%. El valor calórico determinado (18.67 / 17.9 MJ/kg) se corresponde con valores descritos en la literatura consultada [13, 33, 34].

En la tabla 2 se exponen los resultados del análisis elemental realizado al aserrín procedente de la fuente de estudio, es de destacar el alto contenido de volátiles, sobre el 80%, el contenido de cenizas resulta bajo en comparación con otros combustibles sólidos como la turba el lignito o carbones bituminosos.

El calor específico de combustión (CEC) es un parámetro que distingue a las diferentes sustancias empleadas como combustible, para el caso de la biomasa existen muy diversos materiales procedentes de la actividad agrícola, forestal ó inclusive los residuos sólidos urbanos (RSU) de los cuales es posible obtener reportes en la literatura internacional sobre su evaluación como potenciales combustibles.

Por ejemplo para la paja de trigo y la paja de arroz se reporta la obtención de entre 18.7 – 19.3 MJ/kg [38]. Para el aserrín, la paja de caña y el bagazo de caña se reportan valores entre 15 – 20 MJ/Kg [33, 39, 40], para maderas como el sauce ó el pino se reportan valores entre 17 – 18.3 [17], en general estos valores están determinados por la humedad existente en el material y el mayor ó menor contenido de lignina.

El calor especifico de combustión en el aserrín colectado para este trabajo tiene un valor promedio de 18.15 MJ/Kg. calculado sobre la base de los análisis químicos y la correlación propuesta [41], para verificar estos cálculos se realiza adicionalmente el análisis térmico mediante el calorímetro C5003 IKA-WERKE para determinar el CEC obteniendo un valor de 17.91 MJ/Kg. que aunque algo menor ratifica la valides de la correlación empleada

Se realiza adicionalmente el ensayo por Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) del aserrín, este análisis térmico permite obtener un medida de los cambios físicos o químicos que ocurren en función de la temperatura mientras la muestra se calienta con un programa de temperaturas controlado mediante el calorímetro Mettler-Toledo DSC822 en atmósfera dinámica de oxígeno (50 ml/min) con rango de temperaturas de 25 -1.000ºC a una velocidad de 10ºC/min.

Como se puede observar en la figura 2, el DSC proporciona una curva que indica el intervalo óptimo de temperaturas en el que se podrá aprovechar energéticamente el recurso. La curva DSC obtenida se puede dividir en dos fases:

Una primera etapa endotérmica que alcanza hasta los 130ºC, asociada al secado del agua presente en el aserrín, cantidad muy pequeña ya que no se aprecia apenas esta zona de la curva.

Una segunda fase exotérmica, en la que tendría lugar la combustión de los diferentes constituyentes del material y que sería la zona de óptimo aprovechamiento energético del aserrín y que termina según los resultados de DSC en el entorno de los 500 0C.

Figura 2. Curva DSC obtenida para el aserrín. Fuente: [1].

2.1.2- Material arcilloso;

El material arcilloso está constituido predominantemente, por un grupo de sustancias cristalinas denominadas minerales de la arcilla, y que son, en esencia, silicatos de aluminio hidratados. La palabra arcilla se emplea con referencia a un material de grano fino, terroso, que se hace plástico al ser mezclado con agua.

El material arcilloso se propone como aglomerante para la fabricación de los bloques sólidos combustibles pues resulta económico su manejo en el entorno de la industria de los ecomateriales que a su vez son los principales clientes para el uso de este portador energético en la producción artesanal de materiales de construcción como los ladrillos, la cal ó la obtención de material cementante a partir de la activación térmica de la arcilla.

Las arcillolitas son rocas sedimentarias que representan el resultado de los procesos de meteorización y erosión que han actuado sobre materiales preexistentes y se caracterizan por la disposición geométrica regular en capas planas separadas entre sí por diversos elementos químicos. En general, las arcillas ricas en sílice, hierro e hidróxidos (esmectitas, cloritas, vermiculitas y sus interestratificados), son mucho más reactivas que las arcillas, constituidas solamente por alúmino-silicatos pobres en hierro e hidróxidos (caolinita e illitas), [42].

La caracterización de los materiales arcillosos implica la realización de estudios para determinar sus propiedades físicas, químicas y composición mineralógica (DRx).

Se evalúan materiales arcillosos procedentes de afloramientos de diversas localidades, a saber de Manicaragua (MAM), Falcón (MFM), ambos en la región central de Villa Clara, Cuba y de la región de Oviedo (MOM) en Asturias, España.

Estos materiales arcillosos han sido seleccionados atendiendo primeramente a su cercanía con respecto a los centros de procesamiento de madera y de producción de ecomateriales pues las exigencias de la producción en condiciones locales imponen una impronta del tipo económica minimizando los recursos para su acarreo, en segundo lugar se tiene en cuenta la cercanía con respecto a los centros de investigación involucrados en el trabajo, y además lo que es no menos importante se consideran sus diversas propiedades físico – químicas que permiten evaluar su influencia sobre las propiedades del material densificado.

2.1.2.1 Análisis químico, propiedades físicas y composición mineralógica.

En la tabla 3 se muestran los resultados de la evaluación de la composición química realizada a los materiales arcillosos objetos de estudio. El análisis de de la composición química de los materiales arcillosos evaluados brinda como resultado que la suma en peso de los óxidos principales (SiO2, Al 2 O3, Fe2 O3) supera en todos los casos el 70 % lo que puede favorecer su potencial activación térmica.

En la tabla 4 se muestran los resultados de la evaluación de diversas propiedades físicas que caracterizan a los materiales arcillosos objeto de estudio, entre ellas la refractoriedad, la plasticidad, la actividad y la composición mineralógica, encontrándose que los tres materiales tienen composición mineralógica diferente y en consecuencia una actividad diferente.

Los niveles de refractoriedad, entre 850 – 1000 OC, no resultan excesivamente altos, por consiguiente a criterio del autor de este trabajo su aplicación como aglomerante no debe establecer mayores dificultades para la combustión.

Para determinar la plasticidad y otras propiedades físicas de los materiales arcillosos se utiliza el método indirecto o método de Atterberg, siguiendo la norma ASTM D 4318, en la cual se considera una pasta de arcilla y agua que se seca progresivamente pasando del estado líquido al plástico y finalmente al sólido

El material con mayor plasticidad y mayor actividad de los estudiados resulta el de Manicaragua, con una composición predominantemente montmorillonitica puede estar próximo a las conocidas buenas propiedades como aglomerantes de las bentonitas [24, 43](Duitama,2004, Serrucha,2005 ), estas estructuras permiten que el agua penetre entre las láminas tetraédricas y octaédricas a través de los enlaces de hidrógeno que los caracterizan lo cual determina una expansión de la celda cristalográfica y explica su alto índice de plasticidad.

En la figura 3 se muestra el resultado del análisis de DRx realisado al material arcilloso procedente de Manicaragua identificándose de acuerdo a las principales fases mineralógicas encontradas como un material predominantemente montmorillonitico del grupo de los minerales expandibles ó esmectitas.

La composición mineralógica de las muestras de otras procedencias que son utilizados en el desarrollo del presente estudio se identifican del siguiente modo, el material arcilloso de Oviedo como una estructura predominantemente caolinita del grupo de las kanditas [37] el material arcilloso procedente de la municipalidad de Falcón como una estructura predominantemente del tipo illita del grupo de las micas [26].

Figura 3 Resultados del análisis de DRx. Material arcilloso con estructura predominantemente montmorillonitica. Fuente: Quennoz, 2006. Empresa Geo-Minera de Villa Clara, Laboratorio Isaac del Corral Ciudad de la Habana.

3- Densidad del bloque sólido combustible.

Una importante característica del sólido combustible es su densidad, mayor densidad reporta ventajas desde el punto de vista técnico económico para su manejo y desde el punto de vista energético [14, 44]. En este acápite se realiza el análisis de los resultados correspondientes a la densidad relajada ó seca (DR conocida en inglés como relaxation density).

La densidad de las briquetas es calculada a partir de las mediciones promedio de sus dimensiones y de su peso (diámetro y altura con Pie de Rey y la masa con balanza electrónica digital de precisión 0.001 grs) Para la investigación de la densidad de las briquetas se han utilizado las recomendaciones de la norma ASAE S269.4. DEC

La densidad final de las briquetas depende de diversos factores entre ellos la relación entre la magnitud de la compresión y el distensionamiento ó relajamiento del material, las propias características del proceso de aglomeración (presión, tiempo, naturaleza del aglomerante y su contenido porcentual, etc.) y las propiedades físicas del material biomásico, la comprensión de estos factores es esencial en el estudio de la densificación de las briquetas y la predicción de su comportamiento como combustible en la aplicación correspondiente ó en un horno dado

El procedimiento y análisis experimental planteado permite generar y describir la información de manera organizada para evaluar las características del material densificado como alternativa energética para la producción de materiales de construcción. En la tabla 5 se muestran los factores y niveles considerados para la evaluación inicial de la influencia del contenido de aglomerante arcilloso procedente de la localidad Manicaragua junto con los demás factores evaluados.

Las normativas para las briquetas industriales de alta densidad establecen un valor mínimo de densidad en el entorno de 1 – 1.4 g. / cm3. Sin embargo diferentes reportes evalúan la densidad relajada (DR) de las briquetas fabricadas con la aplicación de baja ó moderada presión y la adición de diferentes aglomerantes en el intervalo de 0. 2 – 0.7 g./ cm3.

De igual modo briquetas fabricadas con paja de caña alcanzan una densidad de 0.540 g./ cm3 [26], por otro lado se reporta la obtención de briquetas fabricadas con tallos de la yuca con valores de densidad de entre 0.4 – 0.7 g./ cm3 [45], para desechos del tratamiento de la madera se reportan valores de densidad para las briquetas de 0.5 – 0.6 g./ cm3 [46] .

Teniendo en cuenta los amplios límites que la densidad puede adoptar en función de diversos factores se establece como límite de aceptación en cuanto a la densidad relajada (DR) para las briquetas ensayadas en este trabajo el valor de 0.450 g./ cm3.

Se emplean los métodos de análisis de asociación entre las variables para establecer la relación funcional en forma matemática, El objetivo principal en este caso es estimar los parámetros de los modelos matemáticos que permiten relacionar la densidad con los diferentes factores sobre la base de los resultados de las unidades muestrales evaluadas. Se define esta relación a partir de aplicar el nivel de significación más alto posible y se establece la simplificación de los modelos al extraer de los análisis los factores que resultan estadísticamente no significativos.

Los resultados del análisis de regresión lineal múltiple para la variable densidad donde se determina la relación con los diferentes factores (Humedad. Presión, tiempo y Aglomerante) para un nivel de confianza estimado entre el 99% y el 90% como mínimo, quedando establecido que en este caso para la densidad según las restricciones impuestas solo resultan significativos las variables presión y contenido de aglomerante.

El modelo ajustado que permite predecir los valores de densidad (g / cm3) dadas las condiciones especificadas para la fabricación de los bloques sólidos combustibles es el siguiente

DR = 0,59525+0,02025*Pr+ 0,023*% Aglom. R2 = 95.8 % [1] Donde: Pr = presión en MPa; % Aglom = contenido porcentual de aglomerante arcilloso en la briqueta

La ecuación [1] de regresión lineal del tipo Y = ß0 + ß1 X1 + ß2 X2 describe con claridad y precisión la relación entre los factores densidad, presión y contenido de aglomerantes El modelo matemático investigado se corresponde con los conocimientos teóricos del proceso, la densidad esta en relación directa con el contenido de aglomerante y con la presión aplicada siendo no estadísticamente significativas la influencia de los factores tiempo de retención de la biomasa en el dado y cantidad de agua añadida. Es de señalar que la obtención de este modelo ha sido realizada a partir de un material arcilloso de características montmorilloniticas con una actividad relativamente alta.

En el grafico de barras que se muestra en la figura 4 se identifican los valores promedio de la densidad (DR) de las muestras fabricadas según los tratamientos definidos por la relación entre los factores y los niveles involucrados. El valor promedio de densidad encontrado es 0.596 grs. / cm.3.

Figura 4. Valores promedio de la densidad relajada

3.1- Relación densidad (DR) y propiedades del aglomerante.

Las propiedades del material arcilloso que se han definido a partir del análisis bibliográfico realizado como potencialmente significativas para las cualidades del residuo biomásico densificado es la organización estructural de los filo alumino – silicatos que conforman el material arcilloso, así como la plasticidad y la actividad [43, 47], estas propiedades por supuesto se relacionan entre sí para otorgarle a la arcilla mayores ó menores propiedades aglomerantes.

El análisis estadístico de las unidades muéstrales elaboradas con materiales arcillosos de diferentes yacimientos y con índice de plasticidad entre los valores del 42.5 % y el 18 % ha demostrado que para un 95 % del nivel de confianza existen diferencias significativas entre los valores de densidad promedios de las unidades muestrales fabricadas con el material arcilloso proveniente de cada uno de los respectivos yacimientos lo cual puede estar en relación con el índice de plasticidad y la actividad de las muestras colectadas en cada fuente ó yacimiento.

En la figura 5 se muestra un resumen con la densidad promedio que alcanzan las briquetas fabricadas con aglomerantes de diferentes propiedades, se corrobora la regularidad encontrada anteriormente donde la densidad está en relación directa con el contenido de aglomerante y la presión aplicada, en este caso lo interesante resulta que un grupo de muestras no alcanza el límite de densidad trazado como criterio de aceptación, precisamente las muestras que no cumplen el requisito son las fabricadas con el material arcilloso que posee mayor contenido de mineral caolinitico en su composición lo que está directamente relacionado con su menor actividad, no obstante se demuestra que es posible densificar de igual modo residuos de biomasa con el empleo de este material arcilloso si las muestras son fabricadas con mayor contenido de aglomerante y mayor presión.

La diferencia en la densidad entre briquetas fabricadas con un aglomerante y otro puede deberse al diferente poder cohesivo de los diferentes materiales arcillosos empleados lo que conduce a variaciones en el diámetro y la altura de las briquetas

Una vez considerada la evidencia de que existe relación entre las propiedades del material arcilloso y su potencial para ser empleado en los procesos de densificación con baja presión es posible determinar matemáticamente una relación funcional que permita predecir el comportamiento de la densidad atendiendo al efecto de las variables ó factores definidas en el diseño de experimento, presión, contenido porcentual de aglomerante y la relación con las propiedades físico mineralógicas del material representadas por la actividad que lo caracteriza.

Figura 5 Densidad (DR) en función de la presión aplicada y el contenido en por ciento de aglomerante y sus propiedades

Para la mejor comprensión de la evaluación del efecto de las características físicas del aglomerante se ha determinado la ecuación de regresión múltiple que describe la relación entre la densidad y los factores acotados, la que adopta la forma siguiente:

Densidad (DR) = 0,504333 + 0,0282778*Pr + 0,0383889*%Aglom + 0,1015*Act [2]

Donde: Pr = Presión (MPa); % Aglo = Contenido en por ciento de material arcilloso añadido;

Act = % Plasticidad / % de material arcilloso con dimensión inferior a 0.002 mm

R2 = 92 % para un nivel de significación superior al 95%

Los resultados demuestran que en el caso de la densificación del aserrín bajo la aplicación de bajas presiones (hasta 5 MPa) el resultado del proceso visto a través de los valores de densidad está altamente influenciado por el papel en primer lugar del material arcilloso añadido como aglomerante y sus propiedades físicas. Dadas las premisas planteadas para la obtención de los objetos sólidos combustibles resultan menos apropiadas para lograr su estabilidad los materiales arcillosos de menor actividad, la mayor densidad puede estar favorecida por una mayor capacidad de absorción de agua y poder cohesivo del material arcilloso.

Los resultados graficados y el análisis estadístico matemático demuestran que los bloques sólidos combustibles densificados con el uso de material arcilloso de diversas características pueden resultar de una densidad significativamente diferentes lo cual es consistente desde el punto de vista teórico dadas las características físicas, químicas y mineralógicas propias de los materiales estudiados.

Queda establecido de este modo que el material arcilloso usualmente empleado para la fabricación de artículos cerámicos (ladrillos y otros) puede ser un buen material aglomerante para convertir en un sólido las partículas sueltas de aserrín sometidas a baja presión de compactación.

4- Resistencia.

Algunas de las normativas referenciadas para la producción de peles y briquetas acotan los valores de durabilidad de los combustibles sólidos provenientes de la densificación de biomasa a partir de diversos criterios sobre ensayos mecánicos que permiten evaluar por un procedimiento u otro las pérdidas que se producen en la masa del elemento antes y después del ensayo realizado, por ejemplo la norma CS 9 (Biocombustibili solidi Caratterizzazione del pellet a fini energetici) clasifica los elementos de acuerdo a la durabilidad en tres grupos, a saber DU 97.7 con pérdidas en el peso inferiores al 2.3%, DU 95 con pérdidas inferiores al 90 95 % y de igual modo clasifica el DU 90, otras normativas aplican un procedimiento análogo de clasificación.

Las propiedades mecánicas (resistencia a compresión, abrasión e impacto) de los llamados bio combustibles están directamente relacionados con su durabilidad y las posibilidades de ser manipulados y almacenados con seguridad con un mínimo de perdidas, normativas como ASAE S269 ó ONORM M7135 "Solid Biofuels – Methods for the determination of mechanical durability of pellets and briquettes establecen los métodos para evaluar estas características pero están referidas a combustibles sólidos como la hulla ó el carbón mineral y para briquetas de alta densidad fabricadas con procesos de altas presiones [12, 48].

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