Valoración energética de la cascarilla de arroz utilizando un sistema térmico con capacidad de kcal/h.

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1 Valoración energética de la cascarilla de arroz utilizando un sistema térmico con capacidad de kcal/h. Luis Tipanluisa 1,*, Alfredo Barriga 2, José Guasumba 3 1 ESPE, Quito, Ecuador 2 ESPOL, Guayaquil, Ecuador 3 ESPE, Quito, Ecuador * Autor corresponsal: tipanluisal@hotmail.com RESUMEN La presente investigación consiste en la estimación de la densidad energética de la cascarilla de arroz, utilizando un sistema térmico de kcal/h, para lo cual se sigue un procedimiento basado en estudios de campo, concretamente en las ciudades de Quevedo y Ventanas, y un posterior desarrollo experimental, mediante la quema de este combustible sólido, en una cámara horizontal, a partir de la cual se consigue determinar el consumo de biomasa por hora y la potencia generada, es decir que 14 kg/h producen 34,01 kw térmicos. Para optimizar la alimentación del tamo, este se transporta por un ducto cilíndrico que contiene un tornillo sinfín que gira a 1 RPM. En cuanto al campo de temperaturas en el sistema térmico, se establece que la temperatura de encendido de la cascarilla es 680 C, los gases de combustión ingresan al intercambiador de calor de tres etapas a 229,64 C y salen al ambiente a 56,01 C. El aire de proceso entra a 25,48 C y sale a una temperatura promedio de 139,98 C, obteniéndose un diferencial de 114 C. En lo que respecta al contenido de humedad del combustible, la cascarilla de arroz ingresa a la cámara de combustión con un contenido de humedad inferior al 15% para reducir las emisiones de CO, cenizas, hollín. Los resultados de esta investigación permitirán homologar sistemas de combustión para el aprovechamiento de la biomasa, en los sectores productivos donde se dispone de una importante producción de arroz, como es el caso de la Provincia del Guayas y Los Ríos. PALABRAS CLAVE Cascarilla de arroz, alimentación, temperatura de encendido, celulosa, gases de combustión. INTRODUCCIÓN La biomasa es uno de los recursos más importantes que dispone el Ecuador, al hacer referencia a un residuo vegetal generado en el proceso productivo del arroz. Ministerio de Agricultura, Ganadería, Acuacultura y Pesca (MAGAP) indica que en promedio el 22% en peso corresponde al tamo o cascarilla, la cáscara es la cubierta del arroz, en peso corresponde 20-25% (Jenkins, 1989), su valor calorífico es MJ/kg es la más baja de los combustibles de la biomasa leñosa (Natarajan, 1998). Se conoce que en pequeña escala se produce aislamientos térmicos, como abono, y para procesos de combustión en ladrilleras y secadoras de grano, en el ámbito de la construcción se pueden producir fibras para elaboración de paneles dado su carácter de ignífuga y de baja conductividad térmica (Aguilar, 2009). Al tratar este residuo como un recurso aplicable en los procesos de combustión, es necesario disponer de datos y variables termo-físicas que inciden en la producción de calor útil, y la consecuente disipación de contaminantes al ambiente. Se espera que en el mediano y largo plazo, este proyecto sirva de base para el aprovechamiento en gran escala de la cascarilla de arroz y que beneficien a los pequeños Page 1 of 8

2 productores de la Costa del Ecuador, ubicados en las provincias de Guayas y Los Ríos, donde se dispone de un importante recurso de biomasa. MÉTODOS Cascarilla de arroz La cascarilla de arroz utilizada se obtuvo de ciudad de Ventanas. La Tabla 1 muestra las propiedades de la cascarilla de arroz, análisis próximo y análisis último determinadas según la Norma ASTM E (Echeverria & Lopez, 2010) y el análisis de los componentes (Williams & Nugranad, 2000). Basándose en dichos análisis, se calculará el poder calorífico de la biomasa mediante la fórmula propuesta por Meraz et al (2003), en la cual se calcula la aportación calorífica de los componentes elementales carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno y azufre, de acuerdo a su proporción en por ciento de la biomasa base seca. ( ( )) ( ( )) ( ) ( ) ( ) ( ) (1) donde es igual al poder calorífico superior, %H 2 O es el porcentaje de contenido de agua, %C porcentaje de carbono, %O porcentaje de oxígeno, %N porcentaje de nitrógeno y %S porcentaje de azufre del material combustible expresándose el resultado en MJ/kg. La fórmula mostrada se ha utilizado en varios estudios (Balderrama-Castañeda et al, 2011), para calcular mediante componentes elementales de los materiales su poder calorífico. Si restamos el calor de evaporización del agua obtenemos el PCI. Tabla 1. Propiedades de la cascarilla de arroz. Análisis próximo (%) Análisis último (%) Análisis de los componentes* (%) Volátiles 59 Carbón 39,6 Celulosa 34,4 Humedad 7,4 Oxígeno 37,52 Hemicelulosa 29,3 Cenizas 19,3 Silicio 15,21 Lignina 19,2 Hidrógeno 4,97 Cenizas 17,1 Nitrógeno 1,83 Azufre 0,4 * Williams, P. Nugranad, N. (2000) Comparation of productcs from the pyrolysis and catalytic pyrolysis of rice husks. Contenido de humedad El contenido de humedad se determina mediante la Norma UNE-EN para lo cual se debe conocer el peso húmedo, lo que se hace por peso normal y el peso seco, que puede determinarse manteniendo la biomasa en una estufa a 105 C hasta que dos pesadas consecutivas sean iguales. (2) donde peso seco (kg); peso húmedo (kg); porcentaje de humedad en base húmeda. Alimentación de la biomasa La alimentación de la biomasa se realiza a través de un tornillo sin fin, el cual trasporta la cascarilla de arroz desde la tolva de alimentación hasta la cámara de combustión. Las rotaciones del tornillo sin fin se controlan a través de un motor-reductor y un variador de velocidad Figura 1b. Para determinar las RPM adecuadas se realizan ensayos experimentales, en las cuales se hace variar las rotaciones del tornillo sin fin para un tiempo determinado y se Page 2 of 8

3 va controlando el peso y volumen de la cascarilla de arroz para capacidad del volumen de la cámara de combustión. Combustión El sistema térmico utilizado para la combustión de la cascarilla de arroz consiste de una cámara de combustión de lecho fijo de 0,3 m 3, intercambiador de calor de tres etapas en tubos, tolva de carga, sistemas para circulación de aire forzado y mecanismo de alimentación Figura 1. Para la valoración energética de la cascarilla de arroz se controla los siguientes aspectos contenido de humedad inferior al 15% (Ortega, 2000), alimentación de la biomasa y el balance energético de la cámara de combustión (Salvi, 1975). a) b) Figura 1. Sistema térmico. a) Sistema de combustión. b) Mecanismo de control motor-reductor y variador de velocidad. Procedimiento Controlado el contenido de humedad, se sigue el procedimiento indicado en la Tabla 2 para la combustión de la cascarilla de arroz, toma de medidas de temperaturas y velocidades tanto en la cámara de combustión e intercambiador de calor. Tabla 2. Etapas de la combustión de la cascarilla de arroz. Orden Etapa Descripción 1 Control del contenido de humedad de la cascarilla de arroz. Carga del combustible sólido con contenido de humedad inferior al 15% en la tolva de alimentación Encendido del mecanismo de control motor-reductor y variador de velocidad. Prueba de alimentación de cascarilla a una revolución por minuto del tornillo sinfín. Encendido de los ventiladores centrífugo y axial para ingreso de aire hacia la cámara de combustión y aire de proceso en el intercambiador de calor. Combustión de cascarilla de arroz. Medición de temperaturas y velocidades de aire en la cámara de combustión e intercambiador de calor. 5 Evacuación de cenizas por la parte inferior de la cámara de combustión. Page 3 of 8

4 PCI BH (MJ/Kg) Eficiencia de la combustión de biomasa Cuando se produce vapor de alta presión para la generación de electricidad el rendimiento esta entre 25% y el 35% (Ortega, 2010). Son susceptibles de quemarse para obtener energía térmica y eléctrica residuos de prácticamente todas las operaciones procedentes directamente del laboreo y transformación agrícola, o de procesos industriales donde interviene materia prima vegetal, como cáscara de almendra, cascarilla de arroz, serrín, viruta, recortes de chapa de madera. RESULTADOS En la Figura 2 se observa que el poder calorífico de la cascarilla de arroz se ve afectado directamente por el contenido de humedad de la biomasa. Humedad (%) PC BH (MJ/kg) 6,4 13,50 Variación del PCI vs humedad 10 12, , , ,37 8, ,53 7, , ,16 % Humedad Figura 2. Variación del PCI con el contenido de humedad de la biomasa Alimentación del combustible La velocidad de rotación adecuada para alimentar la cascarilla de arroz es de 1 RPM. En la Tabla 3 se pueden observar los principales parámetros relacionados con este elemento. Tabla 3. Parámetros del sistema de alimentación de cascarilla. Parámetro Denominación Cantidad Unidad Revoluciones por minuto RPM 1 rev/min Frecuencia f 21 Hz Consumo de combustible 14 kg/h Para una alimentación de 14 kg/h de cascarilla de arroz, los flujos identificados en la cámara de combustión de muestran en la Tabla 4. Tabla 4. Flujos de calor de la cámara de combustión Parámetro Denominación Valor Unidad Calor perdido por las paredes de la cámara 0,92 kw Calor almacenado en las paredes de la cámara 14,68 kw Calor trasferido por los gases de combustión 0,22 kw Calor perdido en la ceniza 0,21 kw Calor de la combustión imperfecta mecánica 0,13 kw Calor perdido por combustión química incompleta 0,87 kw Calor perdido por cambios de aire 0,43 kw Calor útil del intercambiador de calor 16,53 kw Total 34,01 kw Page 4 of 8

5 Temperatura ( C) Intercambiador de calor A continuación, en la Tabla 5, se presentan los parámetros del intercambiador de calor. Tabla 5. Velocidades y temperaturas de intercambiador de calor. Parámetro Denominación Valor Promedio Unidad Temperatura de entrada del aire Tci 25,48 C Temperatura de salida del aire Tco 139,98 C Temperatura entrada de gases Thi 229,64 C Temperatura de salida de gases Tho 56,01 C Velocidad de entrada del aire Vci 8,2 m/s Velocidad de salida del aire Vco 4,79 m/s Velocidad de ingreso de gases Vhi 8,04 m/s Velocidad de salida de gases Vho 5,69 m/s Cámara de combustión Los parámetros correspondientes a la cámara de combustión se presentan en la Tabla 6. Tabla 6. Temperatura y velocidades en cámara de combustión. Parámetro Denominación Valor Promedio Unidad Temperatura de entrada de combustión Tc 680,46 C Temperatura de pared interior Tpi 363,68 C Temperatura de pared exterior Tpo 50,74 C Temperatura de ingreso de aire Ta 25,48 C Temperatura de salida de gases Thi 229,64 C Temperatura de ceniza Tceniza 256 C Velocidad de ingreso de aire Vai 11,95 m/s Velocidad de salida de gases Vao 8,04 m/s En la Figura 3, se observa que la temperatura en el lecho que se combustiona la cascarilla de arroz es de alrededor de 680 ºC Temperaturas de proceso en CC Tiempo (min) Tc Tpi Tpo a) b) Figura 3. Comportamiento de la temperatura de proceso en la CC (a) y la velocidad del aire en CC (b) DISCUSIONES Valverde (2007), alrededor del 67% de valor calórico de la cascarilla de arroz e la combustión de volátiles. En el proceso de combustión de cascarilla de arroz, se necesita identificar los parámetros más importantes, desde el punto de vista energético. Así se tiene, lo relacionado con los datos de operación del intercambiador de calor y de la cámara de combustión. Los Page 5 of 8

6 datos que se presentan en la Tabla 5, permiten determinar la media logarítmica de la diferencia de temperatura para el balance energético del intercambiador de calor. Uno de los puntos más críticos es la determinación de la alimentación de combustible, debido a que es necesario que exista una sincronización entre la cantidad de combustible que ingresa a la cámara, el área de combustión, evacuación de cenizas y la alimentación del aire que actúa como comburente. Caso contrario, el combustible que se alimenta al hogar apaga la llama produciendo la generación de humo. La cascarilla de arroz es un desecho agroindustrial que se produce en mayor proporción en las provincias de Guayas y Los Ríos. De acuerdo con los datos registrados en el MAGAP, de una producción anual, para el año 2010 es de TM de las cuales, si el 22% es tamo, se puede indicar que la cantidad de residuo es TM. Sin embargo, a pesar de contar con una gran cantidad de desperdicio, hasta la actualidad, el tamo de arroz no es debidamente aprovechado. En muy pequeña proporción se utiliza en el sector florícola. También, como combustible para el secado de granos y para elaboración de ladrillos. Mientras que una mayor cantidad se lo abandona en el campo o se lo quema con aire ambiente, ocasionando contaminación ambiental. De los datos del MAGAP (2010), el potencial energético disponible en los sectores de Quevedo y Ventanas es de 90,72x10 6 MJ, equivalente a Barriles Equivalentes de Petróleo (bep). Análisis realizados en la Procesadora Nacional de Alimentos (PRONACA) y la Agencia Ecuatoriana de la calidad del Agro (AGRACALIDAD) muestran resultados obtenidos sobre las características de la cascarilla, se tiene que la celulosa se halla presente en un 32% y 58%, el porcentaje de cenizas alcanza 14,83% y 23,94%, materia volátil 61,34% y 52,85%, carbón fijo 15,42% y 16,81%. Además poder calorífico 12,89 MJ/kg y 11,79 MJ/kg a una humedad de 8,41% y 6,40% respectivamente. CONCLUSIONES Al desarrollar la presente investigación se ha logrado determinar que la temperatura de combustión de cascarilla de arroz sobrepasa los 650 C, La temperatura de gases en el exterior de los tubos se encuentra alrededor de 229 C. Además, la partícula del tamo de arroz permanece en combustión durante un tiempo de 4 segundos. La cámara de combustión, utilizada para quemar cascarilla de arroz tiene una capacidad promedio de 14 kg/h, con una capacidad de producción energética de 34,01 kw térmicos. El combustible sólido, con un contenido de humedad inferior a 15%, es alimentado por el tornillo sin fin, a una velocidad de rotación de 1 RPM. En el análisis energético de la cámara de combustión se obtiene los siguientes datos: temperatura del lecho 680 C, pared interior 363 C, pared exterior 50 C, temperatura en el exterior de los tubos del intercambiador 229 C, en cuanto a las velocidades del aire de entrada 12 m/s y salida de gases 8 m/s. El intercambiador de calor de tres pasos de tubos en carcasa de tipo vertical tiene una temperatura de entrada al haz 25 C y de salida de 140 C, con velocidades de aire a la entrada de 8 m/s y salida de 5 m/s. en cuanto a los gases de combustión la temperatura en el exterior de los tubos del intercambiador de 229 C y la de salida de 56 C, con velocidades de ingreso de gases 8 m/s y salida de 6 m/s. Page 6 of 8

7 Luego de realizar diversos ensayos sobre el funcionamiento del sistema de alimentación de combustible, se pudo determinar que la velocidad de rotación del tornillo sin fin, más adecuada es de 1 RPM, tomando en cuenta que el desplazamiento horizontal de la cascarilla es de 0,87 m., y lo realiza en un tiempo de 5,34 minutos, por lo que su velocidad es de 0,16 m/s. RECONOCIMIENTOS (AGRADECIMIENTOS) Muchas personas e Instituciones han colaborado con el desarrollo de esta investigación, entre ellas, hago extensible mi más sincero agradecimiento a la ESPE por ser una institución forjadora de líderes que luchan por alcanzar la excelencia, al Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica, y en especial al Señor MSc. Ing. José Guasumba por ser el fundador y Coordinador de la Maestría en Energías Renovables, a la Unidad de gestión de Posgrados de la ESPE, por su abnegada labor administrativa, al Señor Dr. Alfredo Barriga PhD., por haber compartido sus conocimientos y experiencias con la mayor profundidad posible en beneficio de este proyecto. A la Empresa Piladora Villares Wilo de la ciudad de Ventanas por haber permitido el levantamiento de información técnica de alto valor agregado. A los demás colaboradores, les expreso mi abrazo fraterno y profundo agradecimiento por haber dedicado recursos y apoyo técnico, ya que sin ello no podría haber avanzado con este trabajo. REFERENCIAS AGROCALIDA, Agencia Ecuatoriana de Aseguramiento de Calidad del Agro, 2010 Aguilar, J. Alternativas de aprovechamiento de la cascarilla de arroz en Colombia. Universidad de Sucre, Bharadwaj, A. Wang, Y. Sridhar, S. Pyrolysis of rice husk, Balderrama-Castañeda, S., Luján-Álvarez, C., Lewis, D. K., Ortega-Gutiérrez, J. A., de Jong, B. H., Nájera-Ruiz, T. (2011). Factibilidad de generación de electricidad mediante gasificación de residuos de aserradero en el norte de México. Madera y Bosques, 17(2) Echeverria, M. Lopez, O. Caracterización energética de la cascarilla de arroz para su apliacación en la generación de energía termoeléctrica Jenkins, B. M., Physical Properties of Biomass, Gordon and Breach, New York, Kasama, J. Kasama, J. Experimental Study on Combustion of Moisturized Rice Husk in a Fluidized Bed, MAGAP. Ministerio de agricultura, ganadería, acuacultura y pesca, Panorama de la cadena del arroz, Natarajan, E., Nordin, A. and Rao, A. N., Overview of combustion and gasification of rice husk in fluidized bed reactors. Biomass Bioenergy, 1998, 14, 533. Natajaran, E. Ganapathy, E. Pyrolysis of Rice Husk in a Fixed Bed Reactor, Ortega, M. Energías renovables, 1ª Edición, Editorial Paraninfo, España-Madrid, Permchart, W. Tanatvanit, S. Preliminary Investigation on Combustion Characteristics of Rice Husk in FBC, PRONACA, procesadora nacional de alimentos, Salvi G., La combustión teorías y aplicaciones, 2ª Edición, Editorial DOSSAT, S. A. España- Madrid, Shaozeng S. Yijun Z. Fengming S. Feng L. Gasification of rice husk in a cyclone gasifier. Valverde, A. Sarrial, B, Moteagudo, J. Análisis comparativo de las características fisicoquímicas de la cascarilla de arroz, Page 7 of 8

8 Varón C.J. Diseño, construcción y puesta a punto de un prototipo de quemador para la combustión continua y eficiente de la cascarilla de arroz. El Hombre y la Máquina No. 25. Julio - Diciembre de Williams, P. Nugranad, N. (2000) Comparation of productcs from the pyrolysis and catalytic pyrolysis of rice husks. Deparment of Fuel and Energy. Page 8 of 8