BIOMASA Y SUS PROPIEDADES COMO COMBUSTIBLE

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1 24 ATCP Revista Celulosa y Papel Octubre 2009 BIOMASA Y SUS PROPIEDADES COMO COMBUSTIBLE Héctor Jara Millar CMPC Celulosa Planta Laja ANTECEDENTES Toda la biomasa vegetal tiene un factor común: Proviene de un proceso de fotosíntesis, en la que el dióxido de carbono presente en la atmósfera es capturado y combinado con el hidrógeno presente en el agua para formar diferentes macromoléculas que en su gran mayoría está compuesta por H, C y O. La biomasa, independiente de su origen, tiene una composición elemental muy similar. En esta categoría se encuentra la biomasa de lento crecimiento, tal como aquélla de maderas duras, blandas y sus correspondientes cortezas, y la biomasa de rápido crecimiento como los desechos fibrosos provenientes de la agricultura. BIOMASA Tabla 1: Composición química de la biomasa C H O S N Cenizas Cl mg/kg seco K mg/kg seco Maderas Coniferas ,09 0,7 3, Maderas Tropicales 52,4 5,7 39,8 0,01 0,3 1, Olivo 49,8 6 40,4 0,06 0, Paja de Trigo 45,6 5,7 40 0,09 0,7 7, Paja de Cebada 45,6 5,6 42,5 0,09 0,5 5, Tabaco 49,2 5,7 42,1 0,04 0,6 2, C + O2 a CO2 (32,8 MJ/KG carbón) 2H2 + O2 a 2H2O (142.1 MJ/KG hidrógeno) Las reacciones exotérmicas del carbono e hidrógeno permiten liberar una gran cantidad de energía por unidad de masa, independiente del origen de la biomasa. Este punto es muy relevante cuando se buscan fuentes de biomasa y se tiende a asociar una mayor densidad con una mejor calidad de combustible; por ejemplo, una astilla seca de leña de hualle o eucalipto tienen prácticamente el mismo contenido de energía por unidad de masa que la paja de trigo o el pasto seco, la diferencia fundamental radica en la cantidad de energía por unidad de volumen. Sería muy ineficiente quemar 2 kilos secos de paja de trigo en una estufa de combustión lenta, sin embargo, la energía neta generada sería prácticamente la misma que quemar un leño de similar peso. La biomasa está compuesta por lignina, celulosas, hemicelulosas y resinas, el mayor contenido de carbono e hidrógeno de la lignina y las resinas incide fuertemente en el contenido final de energía. Tabla 2: Contenido de energía de los componentes de la madera COMPONENTES ENERGÍA DISPONIBLE mj/kg seco La combustión de la biomasa es una reacción química que involucra esencialmente al hidrógeno y al carbono, formando CO2 y agua si las reacciones son completas. Lignina Celulosa Hemicelulosa Resinas y Aceites 30 17,

2 ATCP Revista Celulosa y Papel Octubre Biomasa con mayor contenido de lignina y resinas, como la madera proveniente de coníferas, tendrá un mayor contenido de energía que la madera proveniente de latifoliadas que normalmente tiene un bajo contenido de resinas y un alto contenido de celulosa y hemicelulosas. Normalmente el contenido de energía se especifica a través de su poder calorífico superior (HHV) o inferior (LHV). La diferencia entre el poder calorífico superior e inferior de la biomasa seca radica en la energía requerida para evaporar el agua formada en la reacción de combustión. Como la gran mayoría de los sistemas de generación de calor por combustión no aprovechan la energía generada por la evaporación del agua, debido a la alta corrosión que se produce al intentar condensarla. Se denomina también energía neta disponible al poder calorífico inferior de la biomasa. Figura 1. Poder calorífico superior e inferior de diferentes especies [MJ/kg seco] El poder calorífico inferior de la biomasa húmeda corresponde a la energía generada en un proceso de combustión menos la energía necesaria para evaporar el agua presente y formada durante la combustión. En el caso de combustibles altamente higroscópicos como la biomasa, este factor debe ser considerado, ya que influye directamente en el grado de aprovechamiento de la energía disponible. Si esencialmente todas las biomasas vegetales tienen la misma energía neta disponible, independiente si provienen de plantas de lento crecimiento o plantas anuales, que las hace un buen o mal combustible? La respuesta depende de la tecnología de combustión disponible y de los costos de manejo y procesamiento de la biomasa desde su lugar de origen hasta la planta térmica. Hoy existen en el mundo calderas que queman corteza, madera, paja, desechos agrícolas, etc. y producen energía térmica sin problemas. Por supuesto que el tamaño de estas unidades dependerá de la disponibilidad y costo de la biomasa en el sector que se instale la caldera. Las siguientes propiedades de la biomasa combustible se consideran como las más relevantes a la hora de definir la calidad de un combustible: 1.- Contenido de humedad 2.- Poder calorífico inferior por unidad de masa seca 3.- Distribución del tamaño de partícula 4.- Densidad 5.- Contenido y composición de las cenizas 6.- Impurezas 7.- Contenido de cloruro y potasio

3 26 ATCP Revista Celulosa y Papel Octubre CONTENIDO DE HUMEDAD El contenido de humedad se expresa como el porcentaje de agua presente sobre el peso total, normalmente las maderas verdes superan el 50% de humedad, sin embargo, si la biomasa vegetal se expone a condiciones climáticas de verano, rápidamente pierde humedad por efecto de la evaporación, incrementando su energía neta disponible. La práctica habitual debiera ser aprovechar el período estival para subir el poder calorífico inferior de los combustibles. Figura 2. Poder calorífico superior (HHV) e inferior (LHV) base húmeda y seca El gráfico anterior resume el comportamiento del poder calorífico inferior (base seca y húmeda) al variar el contenido de humedad de la biomasa. Una biomasa seca que tiene un poder calorífico inferior de 18,75 MJ/kg y su poder calorífico inferior se reduce a 8,15 MJ/ kg (base húmeda) o 16,3 MJ/kg (base seca) al 50% de humedad. Si interesa calcular el poder calorífico inferior de una biomasa determinada, se requiere conocer el poder calorífico superior, el % de humedad y el contenido de hidrógeno (normalmente se aproxima a 6%). LHV: Poder calorífico inferior ( MJ/kg húmedo) HHV: Poder calorífico superior (MJ/kg seco) w: Humedad (%) h: Contenido hidrógeno () LHV = HHV * (1-w/100) 2,447 * w/100 (h/100*2))*18,02*2,447*(1-w/100) [MJ/kg húmedo] El contenido de humedad tiene un gran efecto en el valor neto de energía; se requiere 2,44 MJ de de energía por cada kilo de agua evaporada, a pesar que este valor no es comparable con los 18 o 19 MJ que tiene un kilo de biomasa seca, valores de humedad sobre el 55% imposibilitan normalmente sostener el quemado sin el apoyo de un combustible auxiliar. Evidentemente el contenido de energía por masa húmeda cae fuertemente con el aumento de la humedad (ver figura 2), por lo que no es un buen parámetro de medición a la hora de comprar biomasa y genera incentivos perversos en el productor. Se recomienda siempre la alternativa de comprar la biomasa por volumen para generar incentivos en la dirección de reducir el peso de la biomasa y, si se dispone de análisis de humedad, puede ser una buena alternativa comprar en base a biomasa seca o simplemente a energía neta disponible. Los incentivos deben conducir siempre a reducir el contenido de humedad. 2.- PODER CALORÍFICO INFERIOR POR UNIDAD SECA Como se vio anteriormente, no existe una diferencia importante en el poder calorífico inferior medido en base seca de la biomasa. A pesar de esto las coníferas tendrán un 5 a 10 % más de poder calorífico que la biomasa proveniente de maderas duras o de plantas anuales, debido a su mayor contenido de lignina y resinas, lo que es significativo al momento de elegir el combustible más adecuado. Sin embargo, en el mundo real aparecen factores que pueden cambiar estos números. Especial cuidado se debe tener con la contaminación con inertes que pueden ingresar durante el proceso de recolección y astillado y que evidentemente reducirán la energía neta disponible. Adicionalmente, la degradación microbiológica producto de almacenamientos prolongados de biomasa en condiciones de humedad ideales para su reproducción, reduce la energía neta disponible, ya que parte será utilizada como alimento por los microorganismos. 3.- DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA La mayor parte de la biomasa disponible está en un tamaño inadecuado para su procesamiento en calderas y debe ser triturada o astillada. La tecnología a utilizar en el procesamiento de la biomasa permitirá un mayor o menor control de la granulometría, pero puede tener un impacto relevante en los costos de procesamiento. Los astilladores de cuchillos generan una astilla muy homogénea y con un muy bajo contenido de finos, sin embargo, su costo de mantención se incrementa considerablemente si la biomasa tiene un alto contenido de arena o piedras. Para este tipo de biomasa se recomienda un triturador de martillos que molerá

4 ATCP Revista Celulosa y Papel Octubre indiscriminadamente, pero generará un mayor contenido de finos, que en algunos casos puede limitar el uso del combustible. El tipo de materia prima utilizada puede influir en la homogeneidad de las partículas generadas. 4.- DENSIDAD La densidad de la biomasa combustible es un parámetro fundamental, ya que la gran mayoría de la biomasa se transa en el mercado por volumen y evidentemente interesa que en un metro cúbico contenga la mayor cantidad de biomasa. Habitualmente se utiliza la densidad estéreo (bulk density) como parámetro de medición, para medir el contenido de biomasa seca astillada o triturada por unidad de volumen. El método de cálculo es muy simple: se determina el peso húmedo y el volumen de la muestra (metro cúbico estéreo) y posteriormente se calcula el peso seco de la muestra, realizando un análisis de humedad. Una alternativa de medición se muestra en la figura N 3. Figura 3. Determinación densidad estéreo de biomasa

5 28 ATCP Revista Celulosa y Papel Octubre 2009 Figura 4. Biomasa forestal con similar contenido de energía La densidad estéreo es un parámetro fundamental, ya que indirectamente mide el contenido neto de energía de la biomasa. Se puede disponer un combustible muy seco, pero si contiene la mitad de masa por metro cúbico estéreo, evidentemente será un muy mal negocio si el pago se realiza por volumen. Una astilla de pino puede llegar a tener una densidad de 180 kg seco/m3e, sin embargo, convertida en viruta o aserrín no superará los 140 kg seco/m3e; si esta misma madera se transforma en pellet, tendrá una densidad estéreo superior a los 600 kg seco/m3e. La densidad de la biomasa, en las diferentes formas que se encuentra, impacta enormemente en los costos de transporte. Las Figuras N 4 Y N 5 explican mejor este efecto. Figura 5. Biocombustibles con similar contenido de energía (World Bioenergy Conference 2008) 5.- CONTENIDO Y COMPOSICIÓN DE LAS CENIZAS En general, el contenido de cenizas de la mayoría de las biomasas no supera el 5% en peso, sin embargo, durante el procesamiento y manejo se puede contaminar con arena o tierra, elevando considerablemente el contenido de cenizas y reduciendo la energía neta disponible. La composición de la ceniza y el punto de fusión pueden generar problemas de depósitos en las calderas y reducir la disponibilidad del equipo por fallas en sus sistemas de limpieza. Figura 6. Cenizas caldera de poder Figura 7. Impurezas típicas de la biomasa Figura 8. Mecanismos de corrosión por sales de cloruro y potasio 6.- IMPUREZAS Las impurezas como metales, piedras, concreto, arena, etc. dificultan el manejo de la biomasa y en muchos casos reducen la producción por fallas en los equipos de astillado y transporte. Las contaminaciones normalmente se producen durante los manejos en el origen de la cadena de distribución y requiere especial atención si la planta térmica no dispone de un buen sistema de clasificación y limpieza. 7.- CONTENIDO DE CLORURO Y POTASIO El cloruro y el potasio acompañan normalmente a la biomasa en pequeñas concentraciones. La biomasa proveniente de plantas estacionales tiene normalmente un mayor contenido de sales que las plantas de lento crecimiento (ver tabla N 1), sin embargo, posterior a la combustión estas sales se concentran en los depósitos y cenizas reduciendo el punto de fusión y generando cambios que pueden acarrear problemas serios de taponamiento o corrosión en la caldera. En general, las calderas de poder que operan bajo los 450 C de temperatura de vapor no tienen problemas serios de corrosión y taponamiento por esta causa. La figura siguiente muestra los mecanismos de corrosión que pueden ocurrir por efecto de de los depósitos de estas sales en los tubos del sobrecalentador.