Estudio de la Influencia de la Temperatura, Presión y Tamaño de Partícula en la Elaboración de Pellets de Cascarilla de Nuez de Palmiste
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Estudio de la Influencia de la Temperatura, Presión y Tamaño de
partícula en la Elaboración de Pellets de Cascarilla de Nuez de
Palmiste
Resumen: La producción de pellets es una técnica de densificación que mejora las propiedades físicas, mecánicas y
térmicas que posee la biomasa. Esta técnica, permite aprovechar de una mejor manera los residuos generados como
es el caso de la cascarilla de nuez de palmiste, desecho de la industria de aceite de palma. En este proyecto se presenta
el estudio de la influencia de variables de operación (temperatura, presión y tamaño de partícula) sobre dichas
propiedades en la elaboración de pellets. En los experimentos se empleó cascarilla de nuez de palmiste a la cual se
adicionó almidón de yuca como agente aglutinante en un 15 % en masa y agua como agente hidratante hasta alcanzar
una humedad del 11 %. Por medio de una matriz de peletización se elaboraron los pellets, se trabajó con presiones de
147, 180 y 245 MPa, temperaturas de 85, 100 y 115 °C y tamaños de partícula en un rango de 300 a 1 180 μm. Se
llevó a cabo un diseño factorial 23 con un punto al centro. Se determinó que todas las variables de operación tuvieron
un efecto significativo sobre las propiedades de los pellets a excepción del poder calorífico. A pesar de ello, esta
propiedad presentó un mayor valor en comparación a la materia prima inicial, por lo que la densificación de la
cascarilla de nuez de palmiste favoreció el aumento de las distintas propiedades como la densidad de partícula,
densidad a granel, poder calorífico, densidad energética, índice de resistencia al impacto y durabilidad mecánica,
presentando valores óptimos de 1 200,37 kg/m3; 667,06 kg/m3; 17,62 MJ/kg; 11,75 GJ/m3; 0,98 y 98,81 %
respectivamente, los cuales se alcanzaron a una temperatura de 115 °C, presión de 245 MPa y un rango de tamaño de
partícula de 850 a 1 180 μm.
Palabras clave: Cascarilla de nuez de palmiste, pellet, temperatura, presión, tamaño de partícula.
Study of the Influence of Temperature, Pressure and Particle Size
on the Preparation of Oil Palm Shell Pellet
Abstract: The production of pellets is a densification technique that improves the physical, mechanical and thermal
properties of the biomass. This technique allows better utilization of waste generated as is the case of oil palm shell,
waste from the palm oil industry. This project describes the study of the influence of operating variables (temperature,
pressure and particle size) on these properties in the production of oil palm shell pellets. Oil palm shell was mixed
with cassava starch like binder at 15 % by mass and water to a moisture content of 11 %. With a pelletizing matrix,
the pellets were elaborated. Pressures of 147,180 and 245 MPa, temperatures of 85, 100 and 115 °C and particle sizes
in the range of 300 to 1 180 μm were applied. A factorial design 23 with a center point was used where the pressure,
temperature and particle size were the study variables. It was determined that all the parameters of operation had a
significant effect on the mechanical, physical and thermal properties with the exception of the calorific value.
However the pellets had a calorific value greater than the initial raw material. The densification of the oil palm shell
increased the different properties like density, bulk density, calorific value, energy density, impact resistance index
and mechanical durability with optimum values of 1 200.37 kg/m3; 667.06 kg/m3; 17.62 MJ/kg; 11.75 GJ/ m3; 0.98
and 98.81 % respectively. The best parameters for making the pellets were: temperature of 115 °C, pressure of 245
MPa and a range of particle size of 850 to 1 180 μm.
Keywords: Oil palm shell, pellet, temperature, pressure, particle size.
1
1. INTRODUCCIÓN
Actualmente el mundo atraviesa una crisis energética debido a
varios factores como: crecimiento demográfico, el alto costo
de vida y el aumento en el precio de los combustibles
tradicionales. Esto ha ocasionado que se busquen alternativas
para suplir y satisfacer necesidades energéticas que sean
amigables con el medio ambiente (González, Rincón,
Camargo, Devora y Sierra, 2014). Ecuador se ha convertido en
un país altamente dependiente del uso de combustibles
derivados del petróleo, su consumo representa el 76 % para la
generación de energía, seguido de la energía hidroeléctrica en
un 19 % y solamente el 1 % representa el uso de energías
renovables (Guerrero, 2014). El constante desarrollo de la
industria, ocasiona cantidades importantes de desechos,
mucho de los cuales no tienen ningún uso posterior,
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produciendo problemas de contaminación ambiental. Así por
ejemplo, la industria alimentaria y agroindustrial genera
grandes cantidades de residuos que pueden ser aprovechados
de distintas maneras (Yepes, Montoya y Orozco, 2008).
Una de esas industrias es la de aceite de palma. Ecuador ocupa
el segundo lugar en producción de este producto en América
Latina, solamente superado por Colombia, generando
alrededor de 565 000 toneladas métricas que representa el 1 %
del total a nivel mundial (PROECUADOR, 2014; Vera, 2016).
Entre los años 2000 y 2012, la producción de aceite de palma
africana en el Ecuador aumentó en un 114 % debido a un
incremento en la demanda y precios de venta. Esmeraldas es
la provincia con mayor producción con un estimado de 1,12
millones de toneladas al año, lo que corresponde al 42 % de la
producción nacional y un rendimiento del 10,86 tm/ha
(MAGAP, 2013).
La cantidad de biomasa que se genera en la producción de
aceite de palma corresponde al 41 % del total de la masa
procesada, lo que origina un alto impacto dentro de la
industria. Así tenemos residuos como fibra, racimos, efluentes
y cascarilla de nuez o cuesco el cual corresponde del 5 al 7 %
del total de esta biomasa (García, Cárdenas y Yánez, 2010).
Estos residuos poseen un alto contenido de humedad, una baja
densidad aparente, por lo que influye en sus altos costos de
transporte y su baja demanda energética (Rodríguez, Ramírez
y García 2014). A pesar de ello, la biomasa posee un contenido
de carbono que permite su utilización como fuente de energía
a través de procesos térmicos o químicos (Forero, Guerrero y
Sierra, 2012). Muchos de estos residuos son aprovechados y
muchas veces utilizados para compostaje, produciendo abono
orgánico y alimento para animales (Cujia y Bula, 2010).
De los residuos mencionados, el cuesco es considerado un
material de desecho debido a las pocas alternativas que se han
encontrado para su uso. Muchas veces este residuo es
abandonado generando focos de proliferación de vectores en
fuentes hídricas como mosquitos y roedores, provocando
dificultades en el proceso de fotosíntesis y proliferación de
vida acuática (Reyes y Ortiz, 2016).
En muchas industrias aceiteras, el cuesco se almacena para
usarlo en la producción de vapor dentro de la misma fábrica,
ocasionando problemas de contaminación ambiental, debido a
la emanación de gases de combustión (Vera, 2016). También
genera problemas de acumulación y obstrucción de tuberías y
equipos como calderas, debido a que su ceniza tiene un alto
contenido de óxidos (Rincón, Gómez y Klose, 2011; Flórez,
Barco y Rincón, 2016). Sin embargo, el cuesco posee un alto
valor de poder calorífico (21,1 MJ/kg) en comparación a otros
tipos de biomasa como la madera y los residuos
agroindustriales, por lo que justifica su potencialidad como
biocombustible sólido, siempre que se facilite su manejo
mediante alguna técnica (Barco, 2015).
La densificación de la biomasa es una alternativa viable en la
cual se produce pellets o briquetas. Mediante este tipo de
tecnología se trata de aprovechar de una mejor manera los
residuos de biomasa que producen las industrias, fomentando
una disminución en el impacto ambiental, dando una ventaja
competitiva con otras propuestas (Rodríguez et al., 2014).
Producir pellets permite mejorar las propiedades energéticas
del material, a través del proceso de compactación, donde los
pellets presentan un mayor valor de poder calorífico de hasta
25 MJ/kg y un menor contenido de humedad. Otras ventajas
importantes al peletizar es la reducción de costos de
almacenaje y de envío, debido a la mayor compactación que
los mismos presentan (González, 2013).
Los pellets son cilindros de dimensiones de 40 mm de longitud
y de 6 a 8 mm de diámetro, producidos bajo la acción de altas
presiones y temperaturas controladas. Su uso es muy variado
principalmente para calefacción y en la industria para procesos
de generación de energía térmica (González, 2013), y las
especificaciones técnicas de los mismos se basan en normas
europeas como las Önorm, PVA, DIN y BS, entre otras.
El uso de aglutinantes es apropiado para mejorar la calidad del
pellet. Muchas veces la no adición de aglutinante puede
ocasionar la ruptura en los pellets durante el proceso de
almacenamiento (Machineri, 2015). Así, cuando la resistencia
y durabilidad del pellet no cumplen con las normas de calidad
establecidas, se debe adicionar un agente aglutinante hasta en
un 25 % en masa para mejorar las propiedades mecánicas
(Arzola, Gómez y Rincón, 2012). El almidón de yuca tiene un
importante uso en la industria y su aplicación como aglutinante
es variada. El aglomerante debe cumplir requisitos de: fácil
aplicación, preparación, bajo costo, ser material inerte,
facilidad de mezclado con la materia prima y tener una buena
resistencia mecánica (Fonseca y Tierra, 2011).
Los estudios realizados por Arzola et al. (2012), han sido
orientados en el desarrollo de técnicas de peletizacion de
biomasa, a partir de residuos de la industria. Algunos métodos
enfocan su estudio en variables como pretratamientos, agente
aglutinante y humedad. Sin embargo, la presión, temperatura
y tamaño de partícula son variables muy importantes en el
proceso de densificación de material orgánico, mejoran las
características como combustible, aumentando sus
propiedades físicas y térmicas. Por lo general, se aplican altas
presiones (>100 MPa), y temperaturas entre 80 y 100 °C, lo
cual ayuda a la mejor compactación de la materia prima
(Arzola et al., 2012; Fonseca et al., 2011).
El presente trabajo representa una alternativa para dar valor
agregado a un residuo de la industria de aceite de palma como
materia prima para la elaboración de pellets con fines
energéticos, a ser utilizados como combustible, así mismo
representa una alternativa potencial para la sustitución parcial
de combustibles fósiles, generando mayores beneficios
económicos a la industria del aceite de palma en el Ecuador y
disminución en la emisión de gases de efecto invernadero y de
esta manera, suplir la necesidad energética industrial.
2. MATERIALES Y MÉTODO
La materia prima que se utilizó en la presente investigación fue
cascarilla de nuez de palmiste la cual proviene de los residuos
de la industria de aceite de palma. Para la obtención
experimental de pellets, se utilizaron 20 kg de cascarilla, la
cual fue proporcionada por la empresa AEXAV
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(Agroindustrias Extractoras (Agroindustrias Extractoras de
Aceites Vegetales CIA. LTDA), localizada en el cantón
Quinindé, provincia de Esmeraldas.
2.1 Pretratamiento de la cascarilla de nuez de palmiste
Previo a su utilización, la cascarilla fue sometida a un proceso
de lavado y selección manual. De esa forma se eliminaron
compuestos indeseados como fibra, semillas e impurezas que
pudiesen encontrarse en la misma.
Se aplicó un muestreo por cuarteo para obtener una muestra
representativa de acuerdo a la norma ISO 18135: Solid
Biofuels — Sampling (ISO, 2017). La cascarilla fue sometida
a un proceso de secado al aire libre por tres días, para remover
el excesivo contenido de agua. Posteriormente se trituró en un
molino de martillos hasta obtener un tamaño de partícula
menor a 1 mm.
2.2 Caracterización de la cascarilla de nuez de palmiste
La caracterización de materia prima y principalmente de
combustibles que se producen a partir de biomasa, incluyó un
análisis proximal en donde se analizó el contenido de
humedad, ceniza, material volátil, carbono fijo y finalmente
la medición de la densidad y poder calorífico (Gómez, Klose
y Rincón, 2010). En todos los ensayos de caracterización se
ocupó 1 g de material.
Todos los ensayos de esta caracterización se realizaron por
duplicado para asegurar la reproducibilidad de los resultados,
en el Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Escuela
Politécnica Nacional.
2.2.1 Análisis proximal
2.2.1.1 Determinación del contenido de humedad
La muestra de cascarilla fue sometida a un ensayo de acuerdo
a la norma BS EN ISO 18134-1: Solid biofuels.
Determination of moisture content. Oven dry method. Total
moisture. Reference method. El ensayo descrito se realizó en
una estufa a una temperatura de 105 ± 2 °C por un tiempo de
60 min (BS, 2015).
del contenido de ceniza y volátiles.
2.2.2 Propiedades físicas y térmicas de la cascarilla de
nuez de pamiste
2.2.2.1. Determinación de la densidad
El ensayo de densidad se realizó de acuerdo a la norma BS EN
ISO 17828. Solid biofuels- Determination of bulk density (BS,
2015).
2.2.2.1 Determinación del poder calorífico
El análisis de poder calorífico se desarrolló de acuerdo a la
norma BS EN 14 918:2 009: Solid biofuels- Determination of
calorific value. El ensayo se realizó en una bomba
calorimétrica (BS, 2009).
2.3 Reducción de tamaño de partícula de la cascarilla de nuez
de palmiste.
En un molino de martillos, se redujo el tamaño de partícula de
la cascarilla hasta obtener un rango entre 300 a 1 180 μm.
Después, la cascarilla molida fue sometida a un proceso de
tamizado y separación granulométrica donde se utilizó tamices
estandarizados diseñados bajo la norma ASTM E11-17. Se
tamizó toda la muestra de cascarilla en lotes de 100 g por un
tiempo de 10 min, con la ayuda de un tamizador vibratorio,
donde se separaron las distintas fracciones de cascarilla
(Zapata, 2016). Se trabajó con tamaño de partículas con un
diámetro de 850 a 1 180, 425 a 600 y ≤ 300 μm
respectivamente.
2.4 Evaluación del efecto de la temperatura y presión de
compactación en la producción de pellets de cascarilla de
nuez de palmiste
2.4.1 Proceso de mezclado e hidratación de la cascarilla de
nuez de palmiste con el agente aglutinante
Para cada tamaño de partícula, se pesaron 30 g de la cascarilla
y se mezclaron con 4,5 g de almidón de yuca. Posteriormente,
se añadió agua para hidratar la mezcla hasta obtener una
humedad del 11 %. (Arzola, el al., 2012).
2.2.1.2 Determinación de contenido de cenizas
El ensayo se realizó de acuerdo a la norma BS EN ISO 18122:
Solid biofuels- Determination of ash content. El ensayo se
realizó en una mufla a una temperatura de 950 ± 10 °C por un
tiempo de 120 min (BS, 2015).
2.2.1.3 Determinación de material volátil
Para la experimentación se aplicó la norma BS EN ISO
18123. Solid biofuels- Determination of the content of volatile
matter. El ensayo se realizó en una mufla a una temperatura
de 900 ± 10 °C por 7 min (BS, 2015).
2.2.1.4 Determinación de carbono fijo
La cantidad de carbono fijo se calculó por diferencia de 100
El proceso de mezclado se realizó por un tiempo de 5 minutos,
posteriormente, la mezcla fue sometida a reposo en un
recipiente cerrado por un tiempo de 4 días (Arzola, el al.,
2012).
2.4.2 Proceso de calentamiento y compactación para la
elaboración de pellets de cascarilla de nuez de palmiste
Una vez realizado el proceso de mezclado e hidratación, la
mezcla fue sometida a un proceso de compactación en una
prensa hidráulica con calentamiento. Este procedimiento se
llevó a cabo en una matriz de peletización de 80 mm de largo,
30 mm de diámetro externo y 8 mm de diámetro interno, en
donde a través del proceso de densificación se obtuvieron
pellets de 8 mm de diámetro y 40 mm de longitud.
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Para cada ensayo se pesaron 1,5 g de la mezcla en una balanza
analítica y se colocó dentro de la matriz de peletización con
la ayuda de una varilla de agitación. El tiempo de
compactación de la mezcla fue de aproximadamente 1 minuto
(Arzola et al., 2012). Una vez obtenidos los pellets, se
sometieron a un proceso de enfriamiento al aire libre.
Se realizó un diseño factorial 23 con un punto al centro cuyos
factores de entrada fueron: la temperatura, presión y tamaño
de partícula. Los niveles que se ensayaron fueron: 147, 180 y
245 MPa en presión; 85, 100 y 115 °C en temperatura y un
tamaño de partícula con rangos entre 850 a 1 180, 425 a 600
y ≤ 300 μm respectivamente.
Las variables de respuesta fueron: el poder calorífico,
densidad, densidad energética, análisis proximal y
propiedades mecánicas como la durabilidad mecánica y
resistencia al impacto. Se realizaron los ensayos por
duplicado por lo que se obtuvieron 18 tratamientos
experimentales.
2.5 Evaluación de las propiedades energéticas, físicas y
mecánicas de los pellets de la cascarilla de nuez de
palmiste.
2.5.1 Determinación del poder calorífico de los pellets de
cascarilla de nuez de palmiste.
Para el cálculo del poder calorífico superior del pellet, el
ensayo se realizó de acuerdo a la norma BS EN 14 918:2 009:
Solid biofuels- Determination of calorific value (BS, 2009).
El procedimiento descrito se realizó por duplicado para
asegurar la reproducibilidad de los resultados obtenidos.
2.5.2 Determinación de la densidad de los pellets de
cascarilla de nuez de palmiste
2.5.2.1. Densidad a granel
Los ensayos de densidad a granel de los pellets se realizaron
de acuerdo a la norma BS EN ISO 17828. Solid biofuelsDetermination of bulk density (BS, 2015).
2.5.2.1. Densidad de partícula
Para la determinación de la densidad de partícula, se midió la
longitud y el diámetro de los pellets de cascarilla de nuez de
palmiste por medio de un calibrador. Posteriormente se
pesaron los pellets. La densidad de partícula se determinó por
medio de la Ecuación 1 (González et al., 2014).
𝜌=
𝑚
𝑉
(1)
Los ensayos mecánicos a los cuales los pellets se sometieron
fueron: durabilidad mecánica y resistencia al impacto. A
través de ellos se evaluó que los pellets cumplan con los
parámetros de calidad que requieren de acuerdo a la norma
BS EN ISO 17225-1. Solid biofuels. Fuel specifications and
classes. General requirements (BS, 2014). Adicionalmente,
las muestras fueron observadas por microscopía óptica.
2.5.3.1 Determinación de la durabilidad mecánica
La durabilidad mecánica se determinó mediante la norma
UNE-EN ISO 17831-1:2016. Solid biofuels - Determination
of mechanical durability of pellets and briquettes - Part 1:
Pellets (UNE, 2016).
Para ello, se tamizaron 10 pellets de cascarilla de nuez de
palmiste a través de la malla ASTM 6 (ϕ < 3,35 mm) para
separar las partículas de menor tamaño, luego se pesó y se
hizo girar dentro de un cilindro a una velocidad de 50 rpm,
por un tiempo de 10 min.
Una vez finalizado el ensayo, se tamizaron de nuevo los
pellets por medio de la malla ASTM 6 (ϕ < 3,35 mm) y se
pesaron. La durabilidad mecánica de los pellets se determinó
por medio de la Ecuación 2 (UNE, 2016).
𝐷𝑢 =
𝑀𝑒
𝑀𝑎
× 100
(2)
Donde:
Du: Durabilidad mecánica en pellets (%)
Ma: Masa inicial de los pellets (g)
Me: Masa final de los pellets (g)
2.5.3.2 Microscopía óptica
El ensayo de microscopía óptica se realizó en el estereoscopio
Olympus SZX16 con aumentos de 1,0X; 2,5X y 3,2X
(Olympus, 2006, pp.1-36). Para ello se seleccionaron 3 pellets
de cada uno de los ensayos realizados y se obtuvieron
imágenes en el estereoscopio tanto en la vista transversal como
longitudinal donde se analizó el peor, intermedio y mejor caso
de acuerdo a los ensayos de durabilidad mecánica previamente
citado en la sección 2.5.3.1.
2.5.3.3 Determinación del índice de resistencia al impacto
En el ensayo de resistencia al impacto, los pellets chocaron
contra una placa metálica ubicada en el suelo desde una altura
de 1,85 m. El procedimiento para cada pellet se realizó en
cuatro ocasiones por cada tratamiento y el índice de
resistencia al impacto se determinó de acuerdo a la Ecuación
3 (González, 2013).
Donde:
𝜌: Densidad de partícula (kg/m3)
𝑚: Masa del pellet (kg)
𝑉: Volumen de pellet (m3)
2.5.3 Determinación de las propiedades mecánicas de los
pellets de cascarilla de nuez de palmiste
𝑅𝐼 =
𝑁𝑓
𝑁𝑖
Donde:
RI: Índice de resistencia al impacto
Ni: Cantidad inicial de pellets
(3)
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Tabla 1. Resultados del análisis proximal, poder calorífico y densidad de la
cascarilla de nuez de palmiste
Nf: Cantidad final de pellets
2.5.4 Determinación de la densidad energética de los pellets
de cascarilla de nuez de palmiste
Para determinar la densidad energética se aplicó la Ecuación
4 (González, 2013).
𝐷𝐸 =
𝑃𝐶𝐼×𝐷
(4)
1 000
Donde:
Parámetro
Unidad
Valor
Contenido de humedad
(%)
3,30 ± 0,17
Contenido de volátiles
(%)
81,41 ± 1,67
Contenido de ceniza
(%)
3,04 ± 0,12
Contenido de carbono fijo
(%)
15,55 ± 1,56
Poder calorífico
(MJ/kg)
15,91 ± 0,71
Densidad
(kg/m3)
440,91 ± 2,01
𝑥 = 𝑥̅ ± 𝜎; 𝑛 = 2
DE: Densidad energética (GJ/m3)
PCI: Poder calorífico inferior (MJ/kg)
D: Densidad a granel (kg/m3)
2.5.5 Determinación de las propiedades físicas de los pellets
de cascarilla de nuez de palmiste.
En cuanto a las propiedades físicas de los pellets de cascarilla,
se realizaron ensayos de humedad, cenizas, material volátil y
carbono fijo. Los ensayos se realizaron de acuerdo a las
normas citadas en la Sección 2.2.1 y por duplicado para
asegurar la reproducibilidad de los resultados obtenidos
2.6 Evaluación de los pellets de cascarilla de nuez de
palmiste.
Con base en esta información, se realizó un análisis estadístico
a través del programa Statgraphics Centurion XVI.I, mediante
el cual se evidenció la influencia de los parámetros de
operación entre los sistemas ensayados y con ello se
seleccionó el tratamiento que permite maximizar las
propiedades físicas, mecánicas y térmicas y así obtener las
mejores condiciones de elaboración de pellets de cascarilla de
nuez de palmiste.
El contenido de volátiles de la cascarilla de nuez de palmiste,
presenta un valor que se encuentra dentro del rango establecido
para biomasas el cual va desde el 60 al 85 % (Nogués, Gracia
y Rezeau, 2010). Esto favorece a que el proceso de combustión
se dé a bajas temperaturas, lo cual produce un encendido más
rápido y hace que la cascarilla de nuez de palmiste sea un
combustible altamente reactivo con una velocidad de
combustión más rápida que otros combustibles como el carbón
(González, 2013; Poddar et al., 2014)
En cuanto al poder calorífico, al comparar los valores con los
distintos residuos sólidos generados en la industria del aceite
de palma (raquis de palma con un PC= 8,16 MJ/kg y fibra con
un PC= 12,01 MJ/kg), un valor de 15,91 MJ/kg justifica su
potencial aprovechamiento energético (Zapata, 2016).
Finalmente, aunque la cascarilla de nuez de palmiste presenta
un valor alto de densidad en comparación a otros tipos de
biomasa residual como maderas, los cuales generalmente
presenta valores bajos (alrededor de 180 kg/m3), el proceso de
la densificación, ayuda al aumento de esta propiedad
(Martinefsky et al., 2015; Jara, 2009).
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.2. Caracterización proximal de los pellets de cascarilla de
nuez de palmiste
3.1. Caracterización físico-energética y proximal de la
cascarilla de nuez de palmiste
La caracterización proximal de los pellets de cascarilla de nuez
de palmiste se presenta en la Tabla 2.
La caracterización física y térmica de la cascarilla de nuez de
palmiste se presenta en la Tabla 1.
En cuanto al contenido de humedad, se evidenció que la
temperatura tiene un efecto significativo, donde a mayor
temperatura menor contenido de humedad. Además de ello,
todos los ensayos realizados cumplen con el valor norma
establecido es cual es menor al 12 % alcanzando un valor
óptimo del 9 % (BS, 2014).
La humedad presente en la cascarilla es baja en comparación
a otros residuos agroindustriales que presenta humedades
mayores al 30 %, lo cual favorece un aumento en el poder
calorífico y hace posible su potencial uso como
biocombustible. (Martinefsky, Nolasco y Riccobene, 2015;
Wu, Schott y Lodewijks, 2011).
El contenido bajo de ceniza (< 5 %) presente, es muy
importante ya que teóricamente no produciría altas cantidades
de escoria y aumenta el poder calorífico de la biomasa
(Martínez, 2016). Además, una biomasa con bajo contenido de
ceniza disminuye costos de operación y ofrece una mayor
disponibilidad de equipos (Forero, Cediel y Rivera, Suaza y
Sierra, 2012; Jara, 2009).
A pesar que cumple con el valor norma, es necesario que la
humedad se encuentre en el rango de 8 -12 %, ya que si se
encontrara fuera de este intervalo, se producirían fuerzas de
fricción tan altas que hicieran imposible el proceso de la
peletización (Obernberger y Thek, 2010). La humedad en los
pellets no debe ser alta, ya que implica que se utilice parte del
calor de combustión que producen los pellets para evaporar el
agua contenida en el biocombustible, reduciendo así la
eficiencia energética evitando trabajar con temperaturas altas
(Miranda, Montero, Sepúlveda, Arranz, Rojas y Nogales,
2015).
.
Estudio de la Influencia de la Temperatura, Presión y Tamaño de Partícula en la Elaboración de Pellets de Cascarilla de Nuez de Palmiste
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Tabla 2. Condiciones de operación y resultados del análisis proximal de los pellets de cascarilla de nuez de palmiste
Ensayo
Temperatura
(°C)
Presión
(MPa)
P1
85
147
P2
115
147
P3
85
245
P4
115
245
P5
85
147
P6
115
147
P7
85
245
P8
115
245
P9
100
180
Tamaño de
partícula
(μm)
≤ 300
850
a
1 180
425 a 600
Humedad
(%)
Volátiles
(%)
Cenizas
(%)
Carbono fijo
(%)
8,00 ± 0,73
86,85 ± 2,30
1,69 ± 0,30
11,46 ± 1,99
7,36 ± 0,08
84,08 ± 1,39
1,96 ± 0,25
13,96 ± 1,13
8,20 ± 0,61
86,66 ± 2,05
1,69 ± 0,64
11,65 ± 2,69
7,84 ± 0,64
84,93 ± 0,03
2,07 ± 0,90
13,00 ± 0,93
8,35 ± 0,69
84,09 ± 1,51
1,37 ± 0,26
14,55 ± 0,44
7,71 ±0,05
82,40 ± 0,06
1,51 ± 0,30
16,10 ± 0,36
7,98 ±0,29
83,26 ± 0,42
1,40 ± 0,14
15,35 ± 0,28
6,99 ±0,39
82,42 ± 0,06
1,68 ± 0,16
15,90 ± 0,23
7,52 ±0,03
82,37 ± 0,64
1,49 ± 0,20
16,14 ± 0,83
En el contenido de cenizas, se evidenció un efecto significativo
de la temperatura y del tamaño de partícula, donde a mayor
tamaño de partícula, menor contenido de cenizas y a mayor
temperatura, el contenido de cenizas aumentó alcanzando un
valor optimo del 1%; lo que permite un bajo costo de
eliminación y menor preocupación por la fusión de cenizas, lo
que puede causar problemas operacionales del horno o caldera
(Runge y Paul, 2014). De igual manera cumple con el valor
norma establecido con un contenido menor al 8 % (BS, 2014).
En cuanto al contenido de volátiles, todos los ensayos
presentaron una influencia significativa de la temperatura y
tamaño de partícula, donde a mayor temperatura menor
contenido de volátiles. Ragland, Aerts y Baker (1991),
señalaron que la biomasa energética posee un contenido de
volátiles del 70 al 90 %, por lo que todos los ensayos se
encuentran dentro del rango establecido alcanzando un valor
óptimo del 82 %.
Finalmente el contenido de carbono fijo, se vio influenciado
de forma directa por la temperatura y el tamaño de partícula
alcanzando un valor óptimo de 16 %. Una alta cantidad de
carbono fijo refleja un gran aporte de energía de los pellets al
momento de ser combustionados (González, 2013).
3.3. Determinación de las propiedades mecánicas de los
pellets de cascarilla de nuez de palmiste
3.3.1 Durabilidad mecánica
y Zapata (2016), señalaron que la acción de altas temperaturas
y presiones, activan las propiedades adhesivas de la lignina
que contiene la cascarilla y/o del aglutinante, lo que produce
que exista un mejor contacto entre partículas por la formación
de puentes sólidos muy fuertes. Se alcanzó un valor óptimo de
98,8 % a una temperatura de 115 °C, una presión de 245 MPa
y un rango de tamaño de partícula de 850 a 1 180 μm. Según
los valores de la norma, la durabilidad de un pellet de biomasa
debe ser mayor al 97,5 % (BS, 2014), por lo que el mejor
tratamiento fue el P8 con un valor de durabilidad mecánica de
98,7 %.
3.3.2. Microscopía óptica
La Figura 2 indica las imágenes de microscopía óptica
obtenidas en el estereoscopio.
De acuerdo a los datos obtenidos en durabilidad mecánica, se
analizaron el peor, intermedio y mejor caso. Las imágenes de
microscopía presentaron una influencia del tamaño de
partícula, temperatura y presión. Las imágenes de la (a) hasta
(c) corresponden a la vista transversal y de la (j) hasta (l) a la
longitudinal de pellets elaborados a una temperatura de 85 °C,
una presión de 147 MPa y un tamaño de partícula ≤ 300 μm.
Se aprecia que las partículas se encuentran compactadas pero
no lo suficiente por lo que se obtuvieron pellets no muy
resistentes. Además la temperatura y presión aplicadas no
activaron el poder aglutinante del almidón de yuca por lo que
se obtuvieron espacios de hasta 400 μm.
La Figura 1 indica el contorno de respuesta superficial para la
durabilidad mecánica obtenida en los pellets.
La flecha muestra la dirección del aumento de la durabilidad
mecánica según la variación de la presión y la temperatura,
variables que tuvieron mayor efecto significativo con relación
al tamaño de partícula, el cual presentó menor influencia en la
durabilidad de los pellets, por lo que no es necesario trabajar
con tamaños de partícula menor a 850 μm para obtener
mayores resultados de durabilidad reduciendo así costos de
molienda (Zapata, 2016).
Se evidencia que a medida que la temperatura y la presión
aumentan, la durabilidad del pellet es mayor. Lee et al. (2012)
Figura 1. Superficie de respuesta estimada de la durabilidad mecánica de los
pellets de cascarilla de nuez de palmiste a un rango de tamaño de partícula de
850 a 1 180 μm
Estudio de la Influencia de la Temperatura, Presión y Tamaño de Partícula en la Elaboración de Pellets de Cascarilla de Nuez de Palmiste
_________________________________________________________________________________________________________________________
(c)
(a)
(b)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
(k)
(l)
(m)
(p)
(n)
(o)
(q)
(r)
Figura 2. Imágenes de microscopía óptica con aumentos de 1,0X, 2,5X y 3,2X de las vistas transversal de los pellets de cascarilla de nuez de palmiste. (a-c)
ensayo P1, (d-f) ensayo P9, (g-i) ensayo P8 y longitudinal (j-l) ensayo P1, (m-o) ensayo P9 y (p-r) ensayo P8
Estudio de la Influencia de la Temperatura, Presión y Tamaño de Partícula en la Elaboración de Pellets de Cascarilla de Nuez de Palmiste
_________________________________________________________________________________________________________________________
Las imágenes de la (e) hasta (i) corresponden a la vista
transversal y de la (p) hasta (r) a la longitudinal de pellets
elaborados a 115 °C de temperatura, 245 MPa de presión y un
rango de tamaño de partícula de 850 a 1 180 μm. Se aprecia
que las partículas están aglomeradas por completo presentando
muy pocos espacios, esto se debe a que a dichas condiciones
de operación, se activó el poder aglutinante del almidón de
yuca, el cual ocupa los espacios inter-partículas por lo que
presentan puentes sólidos muy fuertes y porosidades de hasta
50 um.
Además, a medida que la temperatura se incrementa, se da el
proceso de gelatinización del aglutinante donde los enlaces de
hidrógeno se rompen y permite el ingreso del agua con mayor
facilidad lo que provoca el hinchamiento rápido de los
gránulos del almidón, los cuales ocupan los espacios vacíos
debido a un aumento de la viscosidad pasando de un estado
vítreo a gomoso ya a que excede el valor de la temperatura de
transición vítrea (60 a 70 °C). Posteriormente, debido al
enfriamiento, la viscosidad aumenta en mayor proporción y se
da la retrogradación del almidón donde se reordena los puentes
de hidrógeno y su estructura en sí. (Flores, 2010)
3.3.2 Resistencia al impacto
La Figura 3 indica los valores del índice de resistencia al
impacto obtenidos en cada uno de los ensayos realizados.
Se evidencia que el mejor tratamiento donde se obtiene un
valor
valor máximo de índice de resistencia al impacto fue el P8 con
un valor de 1,00. A medida que la presión, el tamaño de
partícula y la temperatura aumentaron, el índice de resistencia
al impacto fue mayor, alcanzando un valor óptimo de 0,98 el
cual se obtuvo a una temperatura de 115 °C, una presión de
245 MPa y de 850 a 1 180 μm de rango de tamaño de partícula.
A medida que el índice de resistencia al impacto se acerca a
1,00; los pellets ofrecen una mayor resistencia en cuanto a
caídas y golpes que pueden sufrir en procesos de transporte y
manipulación (González, 2013).
3.4 Determinación de las propiedades físicas-energéticas de
los pellets de cascarilla de nuez de palmiste
3.4.1 Densidad de partícula de los pellets de cascarilla de nuez
de palmiste
La densidad de partícula que se obtuvo en los ensayos de
elaboración de pellets de la cascarilla se encuentran en un
rango de 1 053,66 a 1 196,49 kg/m3.
La Figura 4 muestra la gráfica de efectos principales para la
densidad.
Se evidencia que a medida que la temperatura, la presión y el
tamaño de partícula aumentan, la densidad también aumenta,
siendo más significativo el efecto de la presión donde se
evidencia una mayor variación de la densidad. La presión tiene
una gran importancia en el proceso de densificación ya que
favorece a la aglomeración y reduce el espacio entre partículas,
por lo que mientras mayor sea la presión de peletización, el
pellet presentará mayor densidad. (Zapata, 2016). Se obtuvo
un valor óptimo de densidad de partícula de 1 200,37 kg/m3 a
una temperatura de 115 °C, una presión de 245 MPa y un rango
de tamaño de partícula de 850 a 1 180 μm. Cuando un
biocombustible sólido presenta un alto valor de densidad,
almacena una mayor cantidad de energía por unidad de
volumen (Forero et al, 2012).
3.4.2 Densidad a granel de los pellets de cascarilla de nuez de
palmiste
La Figura 5 muestra el diagrama de Pareto y de medias para la
densidad a granelGráfica
obtenida
en los
pellets.para
LaDensidad
variable que tuvo
de Efectos
Principales
245
Densidad de partícula (kg/m^3)
Stelte et al (2011) señalaron que la existencia de vacíos y
espacios inter-partícula, son un indicio de la mala adherencia
entre las partículas adyacentes lo que ocasiona una durabilidad
mecánica baja. Las imágenes de la (d) hasta (f) corresponden
a la vista transversal y de la (m) hasta (o) a la longitudinal de
pellets elaborados a 100 °C de temperatura, 180 MPa de
presión y un rango de tamaño de partícula de 425 a 600 μm.
Se aprecia que las partículas parecen estar aglomeradas más
estrechamente presentando menos porosidades y una ligera
activación del almidón de yuca, el cual ocupa los espacios
inter-partículas por lo que presentan una estructura más
uniforme. A pesar de ello como se aprecia en los cortes
longitudinales, existen grietas de hasta 200 um lo que indica
un problema de aglomeración de las partículas por lo que las
condiciones de operación no fueron las suficientes.
1150
1130
1110
1090
1070
85,0
115,0
Temperatura (°C)
Figura 3. Índice de resistencia al impacto obtenido en cada ensayo en la
elaboración de pellets de cascarilla de nuez de palmiste
147,0
245,0
Presión (MPa)
300,0
1180,0
dp (um)
Figura 4. Efectos principales de la temperatura, presión y tamaño de
partícula para la densidad de partícula de los pellets de cascarilla de nuez de
palmiste
Estudio de la Influencia de la Temperatura, Presión y Tamaño de Partícula en la Elaboración de Pellets de Cascarilla de Nuez de Palmiste
_________________________________________________________________________________________________________________________
Diagrama de Pareto Estandarizada para Poder calorífico inferior
3.4.3 Poder calorífico y densidad energética de los pellets de
cascarilla de nuez de palmiste
La Figura 6 indica el diagrama de Pareto y de medias para el
poder calorífico inferior obtenido en los pellets. En este caso
ninguna variable de estudio tuvo un efecto significativo (p>
0,05). A pesar de ello, la densificación produjo un aumento en
el poder calorífico de la biomasa, el cual se ve directamente
relacionado con el aumento de la presión.
Poddar et al. (2014), señalaron que a medida que la presión
disminuye, la unión de las moléculas que se da por fuerzas
intermoleculares como puentes de hidrógeno o fuerzas de Van
der Waals también disminuye, razón por la cual trabajar a altas
presiones favorece la formación de puentes sólidos lo que
maximiza el valor de
poder
calorífico.
Diagrama
de Pareto
Estandarizada para Densidad
(a) C:dp (um)
+
-
AC
(a)
+
-
BC
B:Presión (MPa)
AC
A:Temperatura (°C)
AB
C:dp (um)
Medias y 95,0% de Fisher LSD
0
Poder calorífico inferior (MJ/kg)
mayor influencia fue el tamaño de partícula (p= 0,0001),
seguido de la presión (p= 0,0140) y finalmente la temperatura
(p= 0,0439) alcanzando un valor óptimo de 667,06 kg/m3 el
cual se obtuvo a una temperatura de 115 °C, una presión de
245 MPa y de 850 a 1 180 μm de rango de tamaño de partícula.
Dicho valor cumple con el valor norma establecido, el cual
debe ser mayor a 580 kg/m3 (BS, 2014). Además a través de
un análisis de medias al 95 % de confianza, se evidencia que
existe un aumento de la densidad a granel en comparación a la
materia prima inicial, por lo que el proceso de compactación
si afectó directamente a esta propiedad. Una densidad a granel
alta es muy importante, ya que disminuye problemas de
almacenamiento y transporte (Forero, Cediel, Rivera, Suaza y
Sierra, 2012).
17,5
0,5
1
1,5
2
Efecto estandarizado
2,5
3
(b)
17
16,5
16
15,5
15
Cascarilla de nuez de palmiste
Pellets
Figura 6. Efecto de la temperatura, presión y tamaño de partícula en el poder
calorífico inferior de los pellets de cascarilla de nuez de palmiste a través de
(a) diagrama de Pareto y (b) diagrama de medias (95 % de Fisher LSD)
Se obtuvo un valor óptimo de 17,6 MJ/kg, el cual se alcanzó a
las condiciones de 115 °C de temperatura, 245 MPa de presión
y un rango de tamaño de partícula de 850 a 1 180 μm,
superando el valor norma establecido, el cual debe ser mayor
a 14,5 MJ/kg (BS, 2014).
La Figura 7 indica el contorno de respuesta superficial para la
densidad energética obtenida en los pellets. La flecha muestra
la dirección del aumento de la densidad energética según la
variación de la presión y el tamaño de partícula. La
temperatura fue la variable que presentó menor influencia
sobre este parámetro.
B:Presión (MPa)
A:Temperatura (°C)
BC
AB
Densidad a granel (kg/m^3)
0
610
Medias y 95,0% de Fisher LSD
2
4
6
Efecto estandarizado
8
(b)
580
550
520
490
460
430
Cascarilla de nuez de palmiste
Pellets
Figura 5. Efecto de la temperatura, presión y tamaño de partícula en la
densidad a granel de los pellets de cascarilla de nuez de palmiste a
través de (a) diagrama de Pareto y (b) diagrama de medias (95 % de
Fisher LSD)
A medida que la presión y el tamaño de partícula aumentaron,
se obtuvieron mayores valores de densidad energética. Se
obtuvo un valor óptimo de 11,75 GJ/m3, el cual se alcanzó a
una temperatura de 115 °C, una presión de 245 MPa y un rango
de tamaño de partícula de 850 a 1 180 μm. La densidad
energética que poseen los pellets varían en un rango de 9,8 a
14,0 GJ/m3 por lo que se encuentra dentro del rango (Clarke y
Preto, 2011). El poder calorífico y la densidad energética son
variables a tomar muy en cuenta ya que tiene un efecto al
momento de dimensionar los hornos o calderas, así como en el
almacenamiento del combustible y el sistema de control que
se debe implementar (Obernberger et al., 2010).
3.5. Evaluación de los pellets de cascarilla de nuez de
palmiste.
La Tabla 3 muestra los valores óptimos que se alcanzaron en
los distintos parámetros que se analizaron para maximizar las
propiedades físicas, energéticas y mecánicas de los pellets de
Estudio de la Influencia de la Temperatura, Presión y Tamaño de Partícula en la Elaboración de Pellets de Cascarilla de Nuez de Palmiste
_________________________________________________________________________________________________________________________
ceniza; un contenido de carbono fijo del 15,55 %; un poder
calorífico de 15,91 MJ/kg y una densidad de 440 ,91 kg/m3.
El análisis proximal de los pellets de cascarilla de nuez de
palmiste se encuentra dentro de los estándares de calidad con
valores óptimos de 9 % de humedad, 82 % de volátiles, un
contenido de ceniza de 1 % y 16 % de carbono fijo.
Las mejores condiciones que se alcanzaron para la elaboración
de los pellets de cascarilla de nuez de palmiste fueron:
temperatura de 115 °C; presión de 245 MPa y un rango de
tamaño de partícula de 850 a 1 180 μm.
Figura 7. Superficie de respuesta estimada de la densidad energética de los
pellets de cascarilla de nuez de palmiste a una temperatura de 115 °C
cascarilla de nuez de palmiste y así obtener un producto de
buena calidad. Cuando se trabajó a una temperatura de 115 °C,
una presión de 245 MPa y un rango de tamaño de partícula de
850 a 1 180 μm se alcanzó una deseabilidad óptima de 0,91.
Cuando el índice de deseabilidad alcanza valores entre 0,80 y
1,00; indica que la calidad del producto es muy buena
presentando altas propiedades mecánicas, físicas y energéticas
(Bacio, 2007).
Tabla 3. Resultados de las propiedades físicas, energéticas y mecánicas
obtenidas para las mejores condiciones de elaboración de los pellets de
cascarilla de nuez de palmiste y cumplimiento de la norma BS EN ISO
17225-1
Parámetro
Valor
óptimo
Valor
normado
Cumple la
norma
Temperatura (°C)
115
-
-
Presión (MPa)
245
-
-
850 a
1 180
-
-
9,00
≤ 12,00
Si
1,00
≤ 8,00
Si
667,06
≥ 580,00
Si
17,62
≥ 14,50
Si
Tamaño de
partícula
(um)
Humedad
(%)
Cenizas
(%)
Densidad a granel
(kg/m3)
Poder calorífico
inferior
(MJ/kg)
Densidad energética
(GJ/m3)
Índice de resistencia
al impacto
Durabilidad mecánica
(%)
Índice de
deseabilidad
La influencia de los parámetros de evaluación de los pellets de
cascarilla de nuez de palmiste en su comportamiento mecánico
fue significativo, por lo que al aumentar la temperatura,
presión y tamaño de partícula, aumentó la durabilidad y el
índice de resistencia al impacto de los pellets, donde se
obtuvieron valores óptimos de 98,81 % y 0,98 respectivamente
Trabajar con tamaños de partículas < 300 μm, desfavorece a
las propiedades mecánicas de los pellets, como se evidenció en
la microscopía óptica, por lo que se puede ahorrar costos en el
proceso de molienda a nivel industrial.
La densificación de la cascarilla de nuez de palmiste favoreció
al aumento del poder calorífico, la densidad de partícula, la
densidad a granel y la densidad energética de los pellets
presentando valores óptimos de 17,62 MJ/kg, 1 200,37 kg/m3;
667,06 kg/m3 y 11,75 GJ/m3 respectivamente, lo cual es
importante ya que almacena mayor cantidad de energía por
volumen y ahorra costos de almacenamiento y transporte.
5. AGRADECIMIENTO
Agradecemos el apoyo de los Laboratorios de Operaciones
Unitarias, Termodinámica, Química Analítica y al
Departamento de Metalurgia Extractiva de la Facultad de
Ingeniería Química y Agroindustria (FIQA) de la Escuela
Politécnica Nacional, AEXAV (Agroindustrias Extractoras de
Aceites Vegetales CIA. LTDA) y al Instituto Nacional de
Energía Renovable y Eficiencia Energética (INER).
REFERENCIAS
11,75
≥ 9,80
Si
0,98
-
-
98,81
≥ 97,50
Si
0,91
-
-
4. CONCLUSIONES
El análisis proximal de la cascarilla de nuez de palmiste tuvo
como resultado un contenido de humedad del 3,30 %; un
contenido de volátiles de 81,41 %; un 3,04 % de contenido de
Arzola, N., Gómez, A., & Rincón S. (2012). The effects of moisture content,
particle size and binding agent content on oil palm shell pellet quality
parameters. Ingeniería e investigación, 32 (1), 24-29. Obtenido de
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Bacio, L. (2007). Optimización Multi-Objetivo en el Problema de
Metodología de Superficie Multi-Respuesta. (Proyecto de titulación previo a
la obtención del título de Maestría en Ciencias con Especialidad en
Probabilidad y Estadística no publicado). CIMAT, Guanajuato, México.
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combustible en un reactor de lecho fijo. (Proyecto de titulación previo a la
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