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Preparacion y Caracterizacion Fisica del Biocombustible Solido del Lirio Acuatico (Eichhornia crassipes).

Preparation and Physical Characterization of Solid Biofuel made from Water Hyacinth (Eichhornia crassipes)

INTRODUCCION

La Agencia Internacional de Energia (lEA por sus siglas en ingles) proyecta escenario (Blue Map Scenario) en que el mundo moviendose para una la reduccion de las emisiones de gases de efecto invernadero en 2050 de 50% del n ivel de 2005 necesitara aumentar en 300% el empleo de la biomasa (ASME, 2010). Esta perspectiva demandara una busqueda por nuevos materiales a seren empleados como fuentes de energia. La crisis energetica que se vive actualmente originada en el reconocimiento del caracter no renovable de los combustibles fosiles (Gomez et al., 2012). La sustitucion de los hidrocarburos por fuentes alternativas sustentables se ha transformado en una prioridad de los ultimos anos (Morero y Campanella, 2013). Por todo esto, el incremento de la seguridad en el abastecimiento energetico, la reduccion de la dependencia de fuentes de energia de origen fosil, la reduccion de las emisiones de gases de efecto invernadero se encuentran entre los principales motivos que han llevado a los diferentes paises a impulsar la produccion de biocombustibles en la busqueda de sustentabilidad (Salazar et al., 2012; Cervi et al., 2011; Manzonea et al., 2015; Souza y Schaeffer, 2013).

En este contexto, de la necesidad de uso de energias inagotables, sostenibles y respetuosas con el medio ambiente, se espera que la biomasa ocupe un puesto bastante relevante (IDESIA, 2011). Una de las ventajas mas importantes de la biomasa consiste en que permite reemplazar carbon de forma sustentable (Van der Stelt, 2011). A partir del ano 2010, la biomasa solida represento la mayor fuente de energia renovable (Garcia-Ubaque et al, 2013). Estas politicas requieren la adopcion de tecnologias que permitan el desarrollo de investigaciones relacionadas con la biomasa (Sanchez y Cardona, 2008; Cornoa et al., 2014). Esto ha llevado al desarrollo de sistemas de calientamiento hibrido solar- biomasa como ejemplo de solucion 100% renovable (Chasapis et al., 2008).

Es importante tener en cuenta que la utilizacion de biomasa como combustible, requiere la adaptacion de una cadena de suministro que permita atender el acopio de los residuos generados, su seleccion y homogenizacion y que garantice la disponibilidad de las cantidades requeridas en el proceso productivo (Gomez et al., 2012). Una das mayores limitaciones que presenta el aprovechamiento energetico de biomasas residuales es la baja densidad de los materiales, lo cual plantea problemas en el almacenaje, transporte e etc., para evitar este incoveniente, se procede a compactarlos obteniendose productos elaborados como briquetas y los pelets (Ortiz, 2008). La tecnica de la densificacion tiene sido ampliamente estudiada por medio de innumerables trabajos cientificos utilizando distintas fuentes de biomasa. De los aportes de la literatura, se mencionan: Chen et al. (2009) reportaron nuevas tecnicas en China donde se aprovechan residuos agroforestales para la produccion de energia. Larson et al. (2008) han descrito el experimento de una maquina en escala piloto usada para la compactacion de materiales de baja densidad. Kaliyan y Morey (2009) mencionaron varios factores que afectan la resistencia y la durabilidad de los productos densificados. Chou et al. (2009) utilizaron el proceso de moldaje a piston (piston-mold-process en ingles) para la densificacion de la paja de arroz y salvado de arroz. Roya y Corscaddenb (2012) reportaron estudios de la combustion y las emisiones de briquetas de biomasa en una estufa de lena domestica para 15 briquetas de biomasa producida a partir de una gama de materias primas incluyendo el heno y hierba. Nuriana et al. (2014) investigaron las caracteristicas de las cascaras de durian (en ingles) en briquetas como material combustible. Zhang y Guo (2014) presentaron un estudio de las propiedades fisicas de la Caragana korshinskii Kom (en ingles) como materia prima en la produccion de combustible solido ecologico.

De los aportes de la literatura en estudios del lirio acuatico (Eichhornea crassipes), se mencionan: "Penfound y Earle (1948) estudiaron el lirio acuatico y observaron que en un periodo de 8 meses, 10 plantas generaron 600.000 o mas, cubriendo una area de 0,4 ha de agua dulce" (Alvarez et al., 2004). Koser et al. (1982) reportaron los primeros estudios donde utilizan el lirio acuatico (Eichhornea crassipes) en una experiencia de compactacion y extrusion en briquetas con objetivos energeticos. Roquete Pinto et al. (1987) investigaron la capacitad de remocion de metales pesados y la obtencion de efluentes de alta calidad en sistema de tratamiento que minimice la contaminacion ambiental. Alvarez et al. (2004) investigaron el lirio acuatico para complementar el tratamiento de agua. Oliveira et al. (1997) utilizaron la energia solar para su secamiento, obteniendo buenos resultados. Pereira et al. (2011) presentaron el empleo del lirio acuatico en la produccion de biogas.

Para considerar la viabilidad para la produccion de biocombustibles, es importante tener en cuenta aspectos como composicion del material para las caracteristicas del proceso de combustion (Rhen, C. et al., 2007; Molino et al., 2014). En la Tabla 1 se presenta una breve descripcion del lirio acuatico y otros combustibles. Estos resultados muestran que las biomasas consideradas tienen un contenido de carbon ligeramente por encima del 50% del que posee el combustible de referencia (carbon bituminoso), lo cual repercute significativamente en su poder calorifico (Garcia-Ubaque et al., 2013). Un aspecto generalmente limitante para la combustion de biomasas herbaceas es el contenido de cenizas, generalmente elevado en biomasas herbaceas (Werther, 2000, Vassilev, 2010, 2014, Viana et al., 2012), asi como la composicion temperatura de fusion de estas cenizas, que pueden resultar en problemas de sinterizacion o slagging (Fernandez-Llorente et al., 2005, 2006, Vega et al., 2010, 2012). Para el proceso de combustion, es importante tener en cuenta que los contenidos de azufre y cenizas del lirio acuatico son significativamente mayores, aspectos potenciales que afectan de manera sensible las emisiones atmosfericas durante el proceso de combustion. Para considerar la viabilidad para la produccion de biocombustibles, es importante tener en cuenta aspectos como ubicacion, periodicidad del cultivo o de la cosecha, rendimiento y uso (Cardona et al., 2012). En la Tabla 2 se presenta una breve descripcion de rendimiento del lirio acuatico y otras biomasas.

Se observa en la Tabla 2 una revision sobre las variedades mas comunes y el lirio acuatico para analizar su potencial como materiales para la produccion de biocombustibles. Para ello se considera rendimiento de produccion por hectarea y por ano o rendimiento volumetrico, como caracteristicas principales para determinar su potencial uso. Como resultado, se presentan los pastos elefante, king grass, eucalyptus camaldulensis, p. patula como los mas apropiados para su exploracion en procesos de produccion de biocombustibles (Cardona et al., 2012; Gomez et al., 2012) y el lirio acuatico (Oliveira et al.,1997, 1998).

El objetivo principal de este trabajo es desarrollar una nueva fuente de energia para Ibero America. El objetivo especifico es analizar los procesos involucrados en la preparacion y las propiedades fisicas del lirio acuatico como biocombustible solido.

MATERIALES Y METODOS

El Lirio acuatico (Eichhornea crassipes) (MARTIUS) Solms - Laub es una planta acuatica macrofita con distribuicion en todos los paises tropicales, perteneciente a la familia de las Pontederiaceas, de origen amazonica (Gopal, B., 1987). En la Figura 1 se presenta el material. La colecta del material y los metodos fueron siguiendo el procedimiento descrito en la norma (Technical Specifications CEN/TS 14780: 2005). Se utilizaron material procedente del rio Bambu, laguna de Marica, Marica, Rio de Janeiro, Brasil. El material es homogeneo con partes de distintas extensiones (rango 30 mm a 85 mm) y edades.

Preparacion del material

Para un proceso completo de briquetado a partir de un material tipo residuo agricola o forestal astillado constaria de varias etapas previas como: eliminacion de materiales indeseables, reduccion granulometrica y secado (Ortiz, 2008). En la Figura 2 se muestran la preparacion, el corte y proceso de lavado siguiendo el procedimiento descrito en la norma (Technical Specifications CEN/TS 14588: 2003 y CEN/TS 14780: 2005). Despues de esta etapa, el proceso de trituracion fue considerado necesario para reduzir el tamano del material (Mani et al., 2006) y obtener una mejor homogeneidad. En la Figura 3 se muestra lo material triturado. Por lo tanto, una licuadora industrial Metvisa modelo LQ-15 - 15 L, con potencia del motor de 1,1 kW y velocidad de rotacion del espiral maxima de 3450 fue utilizado en el proceso.

La determinacion de la humedad total

La determinacion de la humedad total fue realizado antes y despues del proceso de secado siguiendo el procedimiento descrito en la norma (ASAE S358.2 DEC99) para las forrajeras y similares (plantas y hojas). Fueran utilizadas 25g de muestras, en tres recipientes cada y puestas en una estufa electrica Nova Etica, con conveccion forzada de aire en temperatura de 103 [+ o -] 2 [grados]C durante un periodo de 24 horas, siendo realizadas tres repeticiones.

Proceso de secado

Las biomasas para cumplen con las condiciones minimas para ser utilizadas como combustible alternativo en procesos industriales, debido a sus condiciones de: alto contenido de oxigeno y humedad y su naturaleza hidrofilica; requiere ser tratada previamente (Medic, 2012; Mani, 2006). Los procesos de pretratamiento mas utilizados para acondicionar la biomasa son de tres tipos principalmente: a) bioquimicos; b) mecanicos y c) termoquimicos, como el secado, la pirolisis rapida, la pirolisis lenta, la peletizacion y la torrefaccion (Chew, 2011). Un metodo simplificado fue adoptado, de acuerdo con Barbosa et al. (2006). Para pesar el material triturado fue utilizada una balanza electronica Nucleo PR 2000 NW y otra GEHARA BG 1000 con precision de 0,01g y las muestras fueran introduzidas en dos estufas electricas Nova Etica con una camara de 0,081 [m.sup.3] y otra con 0,0975 [m.sup.3], respectivamente. El proceso de secado utilizaron el aire a una temperatura de 70 [grados]C con conveccion forzada durante un periodo de 24 horas. Los resultados obtenidos fueran calculados utilizandose de la ecuacion (1).

[M.sub.f] = [M.sub.i] x [(100 - [U.sub.i])/(100 - [U.sub.f])] (1)

siendo: [M.sub.f] = masa final del producto (g); [M.sub.i] = masa inicial del producto (g); [U.sub.i] = humedad inicial del producto (%); [U.sub.f] = humedad final del producto (%).

Determinacion de la densidad volumetrica

La determinacion de la densidad volumetrica del material sin densification, fue especificada en procedimientos (Technical Specifications CEN/TS 15103:2005) y determinada por medio de una balanza electronica Nucleo--PR2000 NW con precision de 0,01g.

La fabricacion de las briquetas

En este trabajo se utilizaron la tecnica de piston y molde para la preparacion de las briquetas (preparacion de especimenes) con el empleo de una maquina de ensayo EMIC con capacidad de 0- 120.000 kgf para el proceso de densificacion. En la Figura 4 se muestra el montaje correspondiente el piston y molde.

En la figura se aprecian detalles como la longitud del tubo molde (Acero SAE 1020) expuesto (300 mm) con diametro externo (48,5mm) y diametro interno (42mm), los segmentos de un embolo dividido en dos secciones (Acero SAE 1020), base (Acero SAE 1045) y tapon (Acero SAE 1020). En la Figura 5 se observa el material deshidratado en el molde siendo comprimido.

El procedimiento es el siguiente: (1) La masa deshidratada del material (Figura 6) fue pesada utilizandose de balanzas electronicas Nucleo PR 2000 y GEHARA B6 1000 con precision de 0,01g para la preparacion de especimenes; (2) el material fue colocado dentro del molde; (3) el conjunto fue puesto entre las partes superiores y inferiores del mecanismo de compresion de la maquina de ensayo EMIC; (4) el contenido del molde fue comprimido con la fuerza de compactacion previamente fijada (15, 10, 7, 4, 2, 1 x [10.sup.3] Kgf); (5) el conjunto fue retirado de la prensa; (6) una nueva fuerza fue aplicada en el molde para que la briqueta fuese retirada; (7) una balanza electronica fue utilizada para pesar la briqueta; (8) con un calibrador se obtuvo la longitud y el diametro de la briqueta para la caracterizacion de su volumen y el grado de esbeltez (la relacion de la longitud por el diametro de la briqueta); (9) la densidad aparente fue encontrada dividiendose la masa por el volumen de la respectiva briqueta (especimenes); (10) despues de pesar, las muestras fueran almacenadas en embalajes de polietileno siendo lacradas y guardadas hasta el momento de las analisis.

RESULTADOS Y DISCUSION

En la Tabla 3 se muestran los resultados de humedad inicial y de la densidad volumetrica, se observa que que la humedad contenido en la forma deshidratada esta en conformidad con procedimiento descrito en la norma (Technical Specifications CEN/TS 14961: 2005 Annex A) que determina: Humedad [menor que o igual a] 10%. Para la densidad volumetrica en la Tabla 3 se puede apreciar que la forma deshidratada encuentrase es menor valor y se nota que la forma triturada es mayor. Estos valores permiten proyetar las caracteristicas de las instalaciones industriales de fabricacion.

En la Tabla 4 se presentan los resultados obtenidos en estudio, se observa que la densidad aparente con la fuerza de compactacion de 15 x [10.sup.3] (Kgf) es mayor. Desde el punto de vista de la fuerza de compactacion, se nota que el grado de esbeltez (la relacion de longitud por el diametro de la briqueta) es mayor a baja presion y se nota una relacion inversa con el aumento de la fuerza de compactacion. Ademas, se muestra que la densidad aparente incrementa con el aumento de la fuerza de compactacion y el grado de esbeltez disminuye con este aumento. En estudio de las briquetas se observa que la rigidez es mayor a partir de la fuerza de compactacion de 4 x [10.sup.3] (Kgf). Estos valores permiten proyetar las caracteristicas de las briquetas a seren fabricadas.

Seguidamente, se presentan los resultados de experiencias en briquetadora de piston realizadas de acuerdo con (Ortiz, 2008), se nota que la densidad obtenida com la fuerza de compactacion de 15 x [10.sup.3] (Kgf) en trabajo (1,04 g/[cm.sup.3]) es menor a de los residuos industriales (1,15 kg/[m.sup.3]), corteza de pino (1,11 kg/[m.sup.3]), corteza de pino y residuos industriales (50:50) (1,09 kg/[m.sup.3]), corteza de eucalipto y residuos industriales (50:50) (1,10 kg/[m.sup.3]) y a de lo eucalipto con ramas finas y hojas (1,06 kg/[m.sup.3]), con la fuerza de compactacion de 10 x [10.sup.3] Kgf en trabajo (0,94 g/[cm.sup.3]) es menor a de lo eucalipto con ramas gruesas (0,97 kg/[m.sup.3]).

En este estudio la densificacion se desarrollo en la temperatura ambiente lo que caracteriza una calidad muy importante en la relacion a otras biomasas. Zhang et al. (2001) sugieren el empleo de la biomasa quimicamente tratada en la fabricacion de la briqueta de madera. En el proceso no hubo necesidad de aglutinantes. En la Figura 7 se muestra las imagenes de las briquetas, se observa que el material deshidratado es compactado solidamente en la forma de la briqueta y el tamano de las fibras influye en la aparencia de las briquetas. De acuerdo con los requerimientos planteados por las normas internacionales consultadas (O NORM M7135, DIN 51731/DIN plus, CEN/TS 14961:2005) para la densidad aparente (rango 1,0-1,4 g/[cm.sup.3]), las briquetas elaboradas a partir del lirio acuatico con fuerza de compactacion en estudio con 15 x [10.sup.3] Kgf, cumplen con las condiciones minimas para ser utilizadas como combustible alternativo en procesos industriales.

CONCLUSIONES

La biomasa solida combustible del lirio acuatico (Eichhornea crassipes) fue preparada y caracterizada.

Dentro de todas las pruebas realizadas, se nota que al aumentar la fuerza de compactacion afecta la densidad aparente y su grado de esbeltez. Ademas, se muestra que la densidad aparente incrementa con el aumento de la fuerza de compactacion y el grado de esbeltez disminuye con este aumento.

Para la rigidez se puede apreciar que es mayor a partir de la fuerza de compactacion de 4 x [10.sup.3] (Kgf). Estos valores permiten proyetar las caracteristicas de las instalaciones industriales de fabricacion.

El trabajo demonstra la viabilidad de la preparacion desde el lirio acuatico de biocombustible solido con y sin densificacion. Se observa tambien que para este proceso en la preparacion de las briquetas no fueran necesarios el calentamiento y aglutinantes.

Se demuestra el potencial de este material, desde el punto de vista fisico, para ser briquetado a partir de la fuerza de compactacao de 4 x [10.sup.3] (Kgf).

Con alto rendimientos de materia verde por hectarea al ano, su precocidad y la gran abundancia de este recurso torna el lirio acuatico una alternativa a la madera empleada actualmente, entre otros.

Los resultados, permiten concluir que el uso del lirio acuatico puede tener un enorme potencial como fuente energetica para los paises de Ibero America.

doi: 10.4067/S0718-07642015000300009

AGRADECIMIENTOS

El autor R. G. Pereira agradece al CNPq el apoyo prestado.

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Jorge A. da C. B. D'Agua (1), Roberto G. Pereira (2) *, Francisco J. V. Marinho (3)

Universidad Federal Fluminense, Rua Passo da Patria No. 156, Campus da Praia Vermelha, Bloco E, Bairro Sao Domingos, CEP 24.210-240, Niteroi, RJ-Brasil: (1) Programa de Pos-Graduacion en Ingenieria Mecanica, PGMEC (e-mail: jdagua@ig.com.br); (2) Depto. de Ingenieria Mecanica, PGMEC/MSG/PGEB (e-mail: temrobe@vm.uff.br); (3) Depto. de Ingenieria Civil, (e-mail: varejaomarinho@yahoo.com.br)

* autor a quien se debe ser dirigida la correspondencia

Recibido Jul. 29, 2014; Aceptado Oct. 9, 2014; Version final recibida Dic. 5, 2014

Leyenda: Fig.1: Lirio acuatico (Eichhornea crassipes).

Leyenda: Fig. 2: Material "in natura".

Leyenda: Fig. 3: Material triturado.

Leyenda: Fig. 4: El conjunto de piezas do Piston-Molde.

Leyenda: Fig. 5: Proceso de compresion.

Leyenda: Fig. 6: Material deshidratado.

Leyenda: Fig. 7: Imagenes de las briquetas
Tabla 1: Propiedades fisicoquimicas del lirio acuatico, las
biomasas y combustible de referencia (carbon bituminoso).
(a) (Oliveira, 1997, 1998) y (b) (Garcia-Ubaque et al., 2013)

Material             Lirio acuatico (a)   Biomassa de aserin (b)

                     Analisis Elemental

%C                         39,39                  47,09
%N                          1,01                   1,44
%H                          5,93                   6,10
%O                         44,61                  45,37
%S                          0,45                   0,00
%Ceniza                    10,76                   2,49

                     Propiedades Termodinamicas

PCS (MJ/Kg)                15,52                  16,88
PCI (MJ/Kg)                14,25                  15,16
%Humedad inicial           90,16                   25,0

Material             Biomassa de poda     Carbon bituminoso
                     distritales (b)      medio volatil (b)

                         Analisis Elemental

%C                         48,17                77,70
%N                          1,10                 1,11
%H                          5,99                 4,67
%O                         44,74                15,82
%S                          0.00                 0,70
%Ceniza                     4,65                12,10

                     Propiedades Termodinamicas

PCS (MJ/Kg)                18,23                30,85
PCI (MJ/Kg)                15,77                30,29
%Humedad inicial           23,50                16,20

Tabla 2: Rendimiento del lirio acuatico e otras especies
potenciales para la produccion de biocombustibles.
(a) (Cardona et al. 2012); (b) (Gomez et al. 2012)
y (c) (Oliveira et al., 1997, 1998)

Especie              Nombre cientifico

Pasto elefante       Pennisetum purpureum

King grass           Pennisetum hybridum

Pasto aguja          Brachiaria humidicola

Pasto panama,        Saccharum sinense
cana japonesa

Eucaliptus           Eucalyptus camaldulensis

Eucaliptus           Eucalyptus grandis

Pinus                Pinus patula

Pinus                Pinus Oocarpa

Lirio acuatico       Eichhornea crassipes

Especie              Rendimiento                           Ref.

Pasto elefante       360 y 400 t/ha/ano de materia verde   (a)

King grass           240 y 360 t/ha/ano de materia verde   (a)

Pasto aguja          10 t/ha/ano de materia seca           (a)

Pasto panama,        48-50 t/ha/corte                      (a)
cana japonesa

Eucaliptus           20-35 [m.sup.3]/(ha x ano) en         (b)
                     turnos de 6-8 anos

Eucaliptus           25 [m.sup.3]/(ha x ano) en turnos     (b)
                     de 6-8 anos

Pinus                27 [m.sup.3]/(ha x ano) en turnos     (b)
                     de 30 anos

Pinus                10-40 [m.sup.3]/(ha x ano) en         (b)
                     turnos de 23-30 anos

Lirio acuatico       120 t/ha/ano de materia seca          (c)

Tabla 3: Propiedades del material antes de la densificacion.

Forma          Humedad inicial (%)    Densidad volumetrica
                                         (Kg/[m.sup.3])

"In natura"           92,79                  143,28
Triturada             92,79                  450,86
Deshidratada           8,16                  42,87

Tabla 4: Propiedades del material despues de la densificacion.

Fuerza de            Diametro     Longitud     Grado de esbeltez
compactacion (Kgf)      (mm)         (mm)           (medio)

1 x [10.sup.3]           42         300,00            7,14
2 x [10.sup.3]           42         80,85             1,92
4 x [10.sup.3]           42         48,97             1,17
7 x [10.sup.3]           42         34,77             0,83
10 x [10.sup.3]          42         31,11             0,74
15 x [10.sup.3]          42         26,85             0,66

Fuerza de                  Volumen             Peso
compactacion (Kgf)   (medio) ([cm.sup.3])   (medio) (g)

1 x [10.sup.3]              415,42             41,70
2 x [10.sup.3]              112,87             40,13
4 x [10.sup.3]             6 1 , 24            40,05
7 x [10.sup.3]              48,15              40,11
10 x [10.sup.3]            43 , 07             39,40
15 x [10.sup.3]             37,18              39,70

Fuerza de              Densidad aparente
compactacion (Kgf)   (medio) (g/[cm.sup.3])

1 x [10.sup.3]                0,10
2 x [10.sup.3]                0,37
4 x [10.sup.3]                0,56
7 x [10.sup.3]                0,84
10 x [10.sup.3]               0,94
15 x [10.sup.3]               1,04
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Author:D'Agua, Jorge A. da C.B.; Pereira, Roberto G.; Marinho, Francisco J.V.
Publication:Informacion Tecnologica
Date:Jun 1, 2015
Words:5365
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