Elementos para la estimación de propiedades termodinámicas de la biomasa cañera y forestal

Elementos para la estimación de propiedades termodinámicas de la biomasa cañera y forestal

Element for the Estimation of Thermodynamic Properties of Cane and Forest Biomass

Yanán Camaraza-Medina^I, Oscar Miguel Cruz-Fonticiella^II, Osvaldo Fidel García-Morales^I

^IUniversidad de Matanzas, Facultad de Ciencias Técnicas, Matanzas, Cuba.
^IIUniversidad Central de Las Villas, Centro de Estudios de Energía, Santa Clara, Villa Clara, Cuba.

En este trabajo se exponen los resultados de la continuidad del proceso de investigación llevado a cabo en el centro de Estudios de Energía y Tecnologías Medio Ambientales, perteneciente a la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas, relacionado con la obtención de modelos para la determinación de los poderes calóricos y la exergía química contenida en cualquier elemento combustible sólido de procedencia biomásica. En el presente se muestran las principales formulaciones conocidas en la literatura actualizada, así como los resultados obtenidos por los autores para representar el poder calórico inferior y la exergía química en términos de la composición elemental (C, H, O, N, S). Las formulaciones obtenidas correlacionan con las muestras consideradas entre 5% y el 15% para el poder calórico superior, y entre el 1,3% y el 2,4% para la exergía química. Sobre la base de estas correlaciones, este estudio proporciona la relación existente entre el poder calórico superior y la exergía química en función de la composición elemental de C, H, O, N, S en las masas combustibles que serán utilizadas en las centrales termoeléctricas (CTE) de biomasa en proceso de construcción en el país.

This paper presents the results of the continuity in a research process carried out at the Center for Energy and Environmental Technologies Studies, belonging to “Marta Abreu” Central University of Las Villas, related to obtaining models for the determination of caloric powers and chemical exergy contained in any solid combustible element of biomass origin. The main formulations known in the literature are presented, as well as the results obtained by the authors to represent the lower caloric power and the chemical exergy in terms of elemental composition (C, H, O, N, and S). The formulations obtained correlate with the samples considered between 5% and 15% for the higher caloric power, and between 1,3% and 2,4% for chemical exergy. Based on these correlations, this study provides the relationship between higher caloric power and chemical exergy as a function of the elemental composition of C, H, O, N, and S in the fuel masses that will be used in biomass thermoelectric power stations (TPS) in process of construction in the country.

El primer reto en el modelado termoquímico de los sistemas de conversión de biomasa es precisamente modelar la propia biomasa, la materia prima. La biomasa no es un compuesto estándar y su composición química, elemental, así como sus propiedades térmicas varían significativamente. En la inmensa mayoría de las publicaciones y trabajos especializados sobre el tema como Al-Shemmeri et al. (2015), Bilgili et al. (2017), adoptan o sugieren diferentes soluciones, por ejemplo, para el bioetanol, al modelar la biomasa en Prosim plus, esta se representa como una mezcla de sus componentes químicos adaptando las propiedades de la glucosa, como la fórmula química, el calor de formación y el peso molecular. Para representar la celulosa, la hemicelulosa y la lignina el software Aspen Plus permite la implementación de sustancias orgánicas como compuestos sólidos no convencionales a través de la definición de atributos en términos de composición elemental.

El objetivo de este estudio es proponer una definición precisa y consistente de la biomasa, especialmente relevante para la simulación de procesos de conversión termoquímica. Así como desarrollar una representación genérica de las propiedades termodinámicas, específicamente la exergía química contenida en esta que permita calcular rápidamente los rendimientos del proceso en cuestión, siempre en función del tipo de biomasa que se emplee, siendo necesario solamente disponer de su composición elemental. El modelo desarrollado es general y puede ser utilizado en cualquier simulación numérica, pero en este estudio se aplica para representar la biomasa específicamente en el gestionador Matlab. Igualmente al ser comparados los resultados obtenidos con valores experimentales disponibles se llega al consenso que los resultados obtenidos son sumamente precisos para ser empleados en la ingeniería práctica, ya que los errores encontrados oscilan en un 2,4% de error medio.

Elementos básicos sobre la masa combustible empleada en el proceso de las centrales termoeléctricas (CTE) de biomasa

El bagazo es el residuo lignocelulósico fibroso remanente de los tallos de caña, obtenido a la salida del último molino del tándem azucarero, constituyendo un conjunto heterogéneo de partículas de diferentes tamaños que oscilan entre 1 y 25 mm, presentando una fracción promedio de aproximadamente 20 mm. Desde el punto de vista físico, el bagazo integral se compone de 45% de fibra, 2-3% de sólidos solubles y 50% de humedad, mientras que desde el punto de vista químico, se compone de 46,6% de celulosa, 25,2% de hemicelulosas (pentosanos) y 20,7% de lignina. Las hemicelulosas abarcan un conjunto de polisacáridos diferentes, cuya composición tiene como características comunes: solubilidad en solventes, reactividad frente a los ácidos y descomposición en azúcares y furfural. Estas propiedades las diferencian, analíticamente, del resto de los componentes químicos del bagazo. La lignina, tercer componente en importancia cuantitativa del bagazo, entre 20 y 22%, representa un conjunto de polímeros amorfos, reticulares, de altos pesos moleculares y naturaleza eminentemente fenólica según Huang et al. (2016), Peduzzi et al. (2016); Kiran y Muthukumar (2017).

Para la determinación del poder calórico inferior (Q_IC) del bagazo se hace necesario disponer de la composición elemental de este, sin embargo esto en si es una tarea ardua y difícil de cumplir debido a que el poder calórico inferior va a variar en función de la concentración de humedad que posea el bagazo, las cenizas presentes también dependen de la forma de cosecha de la caña y del tipo de suelo, incluso el bagazo obtenido en una misma cosecha bajo iguales condiciones de labor y en una misma extensión territorial van a variar notablemente. La composición física del bagazo está definida por las características de la planta que le da origen, la cual posee su estructura básica formada por pequeñas fibras de 2 a 2,5 mm de longitud, unidas por un tejido llamado parénquima, el cual al sufrir el proceso de molida tiende a convertirse en polvo y recibe el nombre de meollo. La fibra constituye en el bagazo seco alrededor del 70% mientras que el meollo es el 30% restante aproximadamente. En los trabajos de Peduzzi et al. (2016) y Camaraza (2017), se plantea que el calor específico de combustión del bagazo seco es inferior con respecto a los combustibles fósiles, lo que es típico de la biomasa por ser un combustible joven. Reconocidos autores nacionales, de acuerdo a lo planteado por Camaraza (2017), reportan valores vecinos numéricamente del poder calórico inferior (Q_IC) de la masa de bagazo, estando los mismos en los intervalos 17 294 ≤ Q_IC≤ 18 938 kJ/kg.

La variación es debida a los cambios en la composición elemental y en el contenido de azúcar, a su vez la composición elemental se ve influida por la variedad y la edad de la caña, el tipo de suelo de cultivo y el grado de mecanización en el proceso de cosecha. La variación en el contenido de azúcar es debido al ajuste de los molinos y a la cantidad y temperatura del agua de imbibición que se suministre al bagazo durante la molida. Existe uniformidad de criterios por parte de autores nacionales en lo relativo a la composición elemental del bagazo. En la Tabla 1 se proporcionan los dos más empleados de acuerdo con Camaraza (2017).

Una obra de referencia regional CELAC (2015), proporciona la tasa de disminución de la humedad en la masa de Residuos Agrícolas Cañeros (RAC) en función de la cantidad de días de cosecha. Esta tendencia a la diminución de la humedad por días normales después de la cosecha puede ser descrita mediante una correlación establecida a partir de los valores reportados, obteniéndose el porcentaje de humedad presente en los RAC por la expresión (1):

Para el caso de los residuos agrícolas cañeros (RAC), las composiciones más empleadas se proporcionan en la Tabla 2, valores reportados por Camaraza (2017).

En la Tabla 2 la notación S se emplea para designar la composición elemental de azufre.

Para el caso de la biomasa forestal existe una gama muy amplia de variedades empleadas para tal efecto, por lo que el poder calórico es lógico que varíe marcadamente de una especie a la otra. En el presente trabajo se proporcionan las composiciones medias para tres variedades de acuerdo a lo planteado por Camaraza (2017), siendo reportadas en la Tabla 3 su composición elemental en%.

Análisis de las formulaciones disponibles y aplicables en la determinación del poder calórico superior en combustibles sólidos

En la literatura especializada (O’Donovan y Grimes, 2014; Huang et al., 2016; Peduzzi et al., 2016; Kiran y Muthukumar, 2017), reportan un grupo considerable de expresiones para la determinación del poder calórico superior (Q_SC) de un combustible sólido seco. Un resumen de las más difundidas es proporcionado en la Tabla 4 según Peduzzi et al. (2016). De acuerdo a lo planteado por Shukuya (2013), todas las expresiones proporcionadas en la Tabla 4 correlacionan con un error menor del 7,2% en el 92,8% de los datos experimentales, siendo la de peor ajuste la expresión (4) mientras que la ecuación (11) arroja un error medio del 2,4% en el 96,8% de los valores experimentales disponibles. Estos valores de correlación fueron verificados por el autor con la ayuda de una función de optimización modelada en TK Solver integrando las cantidades experimentales reportadas por Soltani et al. (2015) y Kopanos et al. (2017), siendo comprobada la veracidad de este planteamiento.

Conocido el poder calórico superior (Q_SC) de una biomasa cualquiera, resulta muy sencillo determinar el poder calórico inferior (Q_IC) de la misma, el cual se obtiene partir de la siguiente ecuación de acuerdo a Peduzzi et al. (2016):

Una expresión muy popular entre los especialistas nacionales según Camaraza (2017), para la determinación del poder calórico inferior de combustibles líquidos y sólidos es la ecuación de Mendeleev la cual queda representada por:

En la Tabla 4 las composiciones elementales vienen dadas en porcentaje y los poderes calóricos obtenidos son expresados en kJ/kg.

Debido al alto índice de correlación que brinda la expresión (11) de acuerdo a los autores O’Donovan y Grimes (2014), Huang et al. (2016), Peduzzi et al. (2016), Kiran y Muthukumar (2017), se considera la más recomendable de las proporcionadas en el presente trabajo de la Tabla 4. Una vez que haya sido determinado el poder calórico inferior del combustible, de acuerdo a lo planteado por Peduzzi et al. (2016), es posible combinar la ecuación de Szargut-Styrylska, con una corrección proporcionada para la constante . Esta formulación aunque poco difundida en la literatura, es un método aproximado con un 2,5% de error, que permite determinar la exergía química de cualquier compuesto sólido biomásico (Ersayin y Ozgener, 2015; Huang et al., 2016; Peduzzi et al., 2016; Kiran y Muthukumar, 2017). Este método de análisis queda dado por la siguiente expresión:

La expresión (13) es justa para O/C < 2,42 y las composiciones elementales son en porcentaje (%).

Camaraza (2017), obtuvo la siguiente ecuación para la determinación de la exergía química de una masa combustible de origen biomásico.

La expresión (14) es justa para O/C < 2,77 y las composiciones elementales son en porcentaje (%).

Para el caso de otros combustibles sólidos no biomásicos, la expresión (12) proporciona resultados erráticos, por lo que debe ser transformada a la siguiente:

Una comparación entre las expresiones (13), (14) y (15) con datos experimentales reportados en los trabajos CELAC (2015), Soltani et al. (2015) y Bilgili et al. (2017), permiten verificar la veracidad de lo planteado en los trabajos de Soltani et al. (2015) y Kopanos et al. (2017), donde se le atribuye un error máximo del orden del 2,5% a la expresión (12). Un total de 128 pruebas efectuadas por los autores arrojó un 2,48% como error máximo para la expresión (12) mientras que para el caso de la nueva expresión obtenida este error es reducido a un 2,44%.

La generalización de cantidades experimentales disponibles permite confirmar lo planteado en recientes investigaciones publicadas en sitios de alto impacto científico, siendo generadas las siguientes conclusiones:
El poder calórico superior de una masa combustible de origen biomásico puede ser obtenida mediante las expresiones proporcionadas en la Tabla 4 con un 7,2% de error medio en el 92,8% de los mejores datos experimentales disponibles, siendo la de peor ajuste la expresión 4.
La ecuación 11, arroja un error medio del 2,4% en el 96,8% de los valores experimentales disponibles, lo que hace coincidir a los autores con el criterio emitido en las referencias consultadas que la ubican como la expresión más precisa de las conocidas en el campo de acción.
La ecuación de Szargut-Steward permite con un error máximo comprobado del orden del 2,48% obtener la exergía química contenida en un combustible biomásico sólido, valor que es muy cercano al reportado en recientes investigaciones.
Las ecuaciones 14 y 15 permiten igualmente el cálculo del poder calórico inferior y de la exergía química de cualquier compuesto sólido con una precisión muy similar a la obtenida con el empleo de la ecuación de Szargut-Steward.

Los autores agradecen la ayuda indispensable en la validación de las cantidades experimentales brindada por el Dr. Nislan H. Khandy, del College of Engineering, Mechanical & Aerospace Engineering Deparment, New Mexico State University (NMSU), EUA.

La mención de marcas comerciales de equipos, instrumentos o materiales específicos obedece a propósitos de identificación, no existiendo ningún compromiso promocional con relación a los mismos, ni por los autores ni por el editor.

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Yanán Camaraza Medina, profesor asistente e investigador de la Universidad de Matanzas, Facultad de Ciencias Técnicas, Matanzas, Cuba y del Centro de Estudios de Energía, Universidad Central de las Villas, “Marta Abreu”, Cuba, E-mail: ycamaraza1980@yahoo.com