UNIVERSIDAD DON BOSCO VICERRECTORÍA DE ESTUDIOS DE POSTGRADO TRABAJO DE GRADUACIÓN “SUSTITUCIÓN DE CARBÓN POR PELLETS A BASE DE DESECHOS DE ASERRADERO” PARA OPTAR AL GRADO DE: MAESTRO EN GESTIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES ASESOR: ING. JOSÉ MARIO SORTO PRESENTADO POR: CARLOS ATILIO MORAN CARLOS ALBERTO GUEVARA AYALA IVÁN DE JESÚS OSORIO Antiguo Cuscatlán, La Libertad, El Salvador, Centroamérica Enero 2015 Agradecimientos En primer lugar agradecer a Dios por iluminar nuestros pasos durante el desarrollo de esta maestría, así como agradecer a nuestros familiares la paciencia que nos han tenido por el tiempo que hemos dedicado para alcanzar nuestro objetivo de superación. Nuestros agradecimientos también van dirigidos a cada uno de los maestros que hemos tenido, por sus conocimientos impartidos durante nuestra formación. Agradecemos al personal de la Universidad por sus atenciones recibidas durante los años que ha durado la maestría. Al director de la maestría por estar a cada momento atento a las necesidades de nuestra cohorte. A nuestro asesor por guiarnos durante el desarrollo de esta investigación en cada una de las diferentes etapas. Carlos, Iván y Atilio �i Dedicación Dedicamos el contenido de ésta investigación a todos los salvadoreños interesados en la protección del Medio Ambiente, así como a todas aquellas personas e instituciones que con su esfuerzo y sacrificio impulsan en nuestro País el desarrollo de las Energías Renovables. Carlos, Iván y Atilio �ii Índice de contenidos Dedicatoria……………………………………………………………………………………………………………………………..……..i Agradecimientos……………………………………………………………………………………………………………………..……….ii Índice de contenidos…………………………………………………………………………………………………………………………iii Índice de imágenes………………………………………………………………………………………………………………………….vii Índice de tablas……………………………………………………………………………………………………………………………..viii Índice de gráficos……………………………………………………………………………………………………………………………ix 1. Introducción………………………………………………………………………………………………………………………………1 1.1Antecedentes………………………………………………………………………………………………………………………1 1.2 Situación actual………………………………………………………………………………………………………………..….2 1.3 Hipótesis……………………………………………………………………………………………………………………….…2 2. Objetivos……………………………………………………………………………………………………………………………..……3 2.1 Objetivo general………………………………………………………………………………………………………………….3 2.2 Objetivos específicos…………………………………………………………………………………………………………….3 3. Procesos de producción.…………………………………………………………………………………………………………………...4 3.1 Carbón……………………………………………………………………………………………………………………………4 3.1.1 Usos del carbón…………………………………………………………………………………………………….…..4 3.1.1.1 Doméstico……………………………………………………………………………………………………4 3.1.1.2 Industrial………………………………………………………………………………………………….….4 3.1.2 Obtención del carbón……………………………………………………………………………………………….….5 3.1.2.1 Hornos de tierra.………………………………………………………………………………………….….6 3.1.2.2 Hornos subterráneos……………………………………………………………………………………….…7 3.1.2.3 Hornos de Mampostería ……………………………………………………………………………….…….8 3.1.2.4 Horno media naranja…………………………………………………………………………………….……8 3.1.2.5 Horno brasileño……………………………………………………………………………………………….9 3.1.2.6 Horno metálico.…………………………………………………………………………………………..….11 3.1.2.7 Métodos industriales de carbonización………………………………………………………………..……11 3.1.2.8 Resumen de los métodos de carbonización…………………………………………………………………13 3.2 Aserrín…………………………………………………………………………………………………………………………..14 3.2.1 Aserrín como biocombustible…………………………………………………………………………………………14 3.3 Pellets……………………………………………………………………………………………………………………………14 �iii 3.3.1 Wood pellets…………………………………………………………………..………………………………………15 3.3.2 Materia prima para fabricación de pellets…………………………………………………………………………….17 3.3.3 Demanda mundial de pellets………………………………………………………………………………………….19 3.3.4 Los estándares industriales y calidad de pellet ………………………………………………………………………23 3.3.5 La durabilidad mecánica del pellet……………………………………………………………………………………25 3.3.6 Contenido de humedad en pellet terminado…………………………………………………………………………..26 3.3.7 Ser proveedor de pellet………………………………………………………………………………………………..26 3.3.8 El proceso de peletizado paso a paso …………………………………………………………………………………27 3.3.8.1 Los procesos básicos………………………………………………………………………………………..27 3.3.8.2 Los principios de la producción…………………………………………………………………………….28 3.3.8.3 Requisitos de potencia……………………………………………………………………………………. ..28 3.3.8.4 Ubicación de la planta de producción……………………………………………………………………… 28 3.3.8.5 El proceso de producción……………………………………………………………………………………28 3.3.8.6 Reducción de la materia prima………………………………………………………………………………28 3.3.8.6.1 Astilladoras mixtas………………………………………………………………………………..29 3.3.8.6.2 Trituradoras de martillo……………………………………………………………………………30 3.3.8.7 Tamaño de la partícula y el efecto sobre la calidad final del pellets………………………………………..31 3.3.8.8 Transporte de material de una máquina a otra………………………………………………………………31 3.3.8.9 Ciclón separador…………………………………………………………………………………………….32 3.3.8.10 Tornillo sin fin o transportadores de cinta…………………………………………………………………32 3.3.8.11 Soluciones para el secado………………………………………………………………………………….34 3.3.8.11.1 Reducir la humedad utilizando el sol……………….……………………………………………34 3.3.8.11.2 Secado solar a gran escala……………………………………………………………………….34 3.3.8.11.3 Secadoras rotativas de leña y aire caliente……………………………………………………….35 3.3.8.11.4 Fuentes de calor………………………………………………………………………………….36 3.3.8.12 Acondicionado……………………………………………………………………………………………..36 3.3.8.12.1 Porcentaje de humedad…………………………………………………………………………..36 3.3.8.12.2 Cualidades del ligado…………………………………………………………………………….37 3.3.8.12.3 Densidad del material……………………………………………………………………………37 3.3.8.12.4 Acondicionado con vapor e incrementar nuestra producción……………………………………37 3.3.8.13 Tolerancias de peletizadora………………………………………………………………………………..38 �iv 3.3.8.14 Producción de pellet……………………………………………………………………………………….39 3.3.8.14.1 Peletizadoras de plantilla plana………………………………………………………………….39 3.3.8.14.1.1 Ventajas de las peletizadoras con plantilla plana………………………………………40 3.3.8.14.1.2 Desventajas de las peletizadoras de plantilla plana……………………………………40 3.3.8.14.2 Peletizadoras anulares……………………………………………………………………………40 3.3.8.14.2.1 Ventajas de las peletizadoras anulares…………………………………………………41 4. Metodología utilizada……………………………………………………………………………………………………………………42 4.1 Métodos de Investigación………………………………………………………………………………………………………42 4.2 Investigación de materiales……………………………………………………………………………………………………..42 4.2.1 Aserrín…………………………………………………………………………………………………………………42 4.2.2 Carbón…………………………………………………………………………………………………………………42 4.3 Herramientas…………………………………………………………………………………………………………………….43 5. Estudio de campo…………………………………………………………………………………………………………………………43 5.1 Carbón…………………………………………………………………………………………………………………………..44 5.1.1 Exportación de carbón.…….………………………………………………………………………………………….47 5.1.2 Método de Parva.…….………………………………………………………………………………………………..47 5.1.3 Método de horno de mampostería…….………………………………………………………………………………49 5.1.4 Método de horno metálico…….………………………………………………………………………………………50 5.1.5 Mercado informal……………………………………………………………………………………………………..51 5.1.6 Mercado Formal……………………………………………………………………………………………………….51 5.1.6.1 Wallmart Centroamérica…….………………………………………………………………………………52 5.1.6.2 Grupo Calleja…….……………………………………………………………………………………….…52 5.1.7 Volumen total de carbón comercializado en el país……………………………………………………………..……54 5.2 Aserraderos……………………………………………………………………………………………………………………..54 6. Proyecto piloto………………………………………………………………………………………………………………………..….56 6.1 Fabricación de pellets…………………………………………………………………………………………………………..56 6.2 Pruebas de laboratorio…………………………………………………………………………………………………….……62 7. Análisis técnico - económico…………………………………………………………………………………………………………….71 7.1 Descripción y datos del proyecto……………………………………………………………………………………………….71 7.1.1 Ubicación proyecto planta productora de pellets……………………………………………………………………..71 7.1.2 Datos generales del proyecto…………………………………………………………………………………………73 �v 7.2 Análisis económico……………………………………………………………………………………………………………..74 7.2.1 Inversión inicial……………………………………………………………………………………………………….74 7.2.1.1 Inversión en maquinaria…………………………………………………………………………………….74 7.2.1.2 Otras Inversiones……………………………………………………………………………………………74 7.2.2 Ingresos……………………………………………………………………………………………………………….75 7.2.2.1 Proyección de venta del producto…………………………………………………………………………..75 7.2.3 Costos…………………………………………………………………………………………………………………75 7.2.3.1 Costos de operación y mantenimiento………………………………………………………………………75 7.2.3.2 Costos de comercialización…………………………………………………………………………………75 7.2.4 Flujo de caja libre……………………………………………………………………………………………………..76 7.2.4.1 Flujo de caja libre del proyecto……………………………………………………………………………..76 7.2.4.2 Flujo de caja libre del inversionista…………………………………………………………………………77 7.2.5 Escenarios.…………………………………………………………………………………………………………….77 7.2.5.1 Escenario precio 10 ctvs. de dólar la libra y costos aumentados 10%………………………………………78 7.2.5.2 Escenario costos aumentados 10% y precio 9 ctvs. de dólar la libra………………………………………..79 8. Conclusiones, recomendaciones y limitaciones……….………………………………………………………………………………….81 8.1 Conclusiones…….………………………………………………………………………………………………………………81 8.2 Recomendaciones…….………………………………………………………………………………………………………….82 8.3 Limitaciones….…………………………………………………………………………………………………………………83 9. Glosario…………………………………………………………………………………………………………………………….……..85 10. Referencias bibliográficas……………………………………………………………………………………………………………….86 Anexo 1. Tabla Investigaciones de campo aserraderos………………………………………………………………………………….…..88 Anexo 2. Análisis de laboratorio……………………………………..……………………………………………………………………..93 Anexo 3. Boleta de Investigación Aserrín……………………..………………………………………………………………………..…108 Anexo 4. Listado de aserraderos y ventas de madera……………………………………………………………………………………..109 Anexo 5. Fotografías sitios de producción de carbón sushi corporación S.A. de C.V.……………………………………………………118 Anexo 6. Comercialización del carbón fuera del país……………………………………………………………………………………..120 Anexo 7. Diagrama de proceso de pellets a nivel industrial………………………………………………………………………………123 Anexo 8. Organigrama de una planta completa de polemizado de madera………………………………………………………………..124 Anexo 9. Equipos Industriales para elaboración y procesamiento de pellets……………………………………………………………..126 Anexo 10. Ejemplo de plantas de peletizado………………………………………………………………………………………………134 �vi Índice de imágenes Imagen 1. Preparación horno de fosa…………………………………………………………………………………………………………7 Imagen 2. Horno de mampostería………………………………………………………………………………………..…………………..8 Imagen 3. Horno de media naranja………………………………………………………………………………………..………….………9 Imagen 4. Horno Brasileño………………………………………………………………………………………..………………………..10 Imagen 5. Producción tradicional de carbón vegetal mejorada: Horno de ladrillo de tipo brasileño en Cuba ……………..………………10 Imagen 6. Horno industrial para elaborar carbón …………………………………………………………………………………………..12 Imagen 7. Proceso de fabricación ………………………………………………………………………………………..…………….…..12 Imagen 8. Comparativa de tipos de carbonización.………………………………………………………………………………………..13 Imagen 9. Wood pellets.……………………………………………………………………………………..……………..………………..15 Imagen 10. Aserrín.………………………………………………………………………………………..……………..………………….18 Imagen 11. Planta industrial productora de Pellets …………………………………………………………………………………………21 Imagen 12. Dimensiones de un pellet ………………………………………………………………………………………..……………..25 Imagen 13. Esta es la vista interna de la trituradora mixta de la malla que define el diámetro y textura final del material triturado……. .29 Imagen 14. Trituradora.………………………………………………………………………………………..……………………………30 Imagen 15. Trituradora de martillo ………………………………………………………………………………………..………………..31 Imagen 16. Ciclón.………………………………………………………………………………..……………….………………………..32 Imagen 17. Tornillo sin fin.………………………………………………………………………………..……………….………….…….33 Imagen 18. Orificio de salida del tornillo sin fin ………………………………………………………………………………..………….33 Imagen 19. Secador por sistema de tuberías ………………………………………………………………………………..…………..….35 Imagen 20. Secadora rotativa ………………………………………………………………………………..……………….……………..36 Imagen 21. Acondicionador – mezclador de una planta de pellets que incorporan dos peletizadoras de plantilla plana F550 .……..…….38 Imagen 22. Plantilla anular ………………………………………………………………………………..……………….………………39 Imagen 23. Plantilla plana.………………………………………………………………………………..……………….………………..39 Imagen 24. Comparativa Peletizadoras ………………………………………………………………………………..……………….…..40 Imagen 25. Sistema de peletizado con plantilla anular. ………………………………………………………………………………..…..41 Imagen 26. Entrevista con productor de carbón en Ciudad Rosario de Mora ………………………………………..………….…………44 Imagen 27. Construcción de la base partiendo de un círculo trazado en el terreno………………………………………..………….…….48 Imagen 28. Entramado de madera formando una pila ………………………………………………………………………………..…….48 Imagen 29. Parva ya finalizada lista para el proceso de quema ………………………………………..………….………….……………48 Imagen 30. Serie de hornos a los cuales se abastece desde la parte de enfrente ………………………………………..………….………49 �vii Imagen 31. Vista interior del horno donde se puede apreciar la leña ………………………………………..………….………….………49 Imagen 32. En las fotografías de arriba se puede apreciar a los hornos durante los procesos de producción de carbón..………….………49 Imagen 33. Se muestra el cilindro y cono cuyas partes conforman el horno metálico para la producción de carbón..………….…………50 Imagen 34. Vista general de la disposición de los hornos así como la leña con la cual se abastecen. .………….………….……………..50 Imagen 35. Diferentes formas de embalaje del carbón en los principales mercados de San Salvador .………….………….…………….51 Imagen 36. Estructura de distribución wallmart ………………………………………………………………………………..…………..52 Imagen 37. Estructura de distribución grupo calleja..………….………….………….………….………….………….………….………..53 Imagen 38. Máquina peletera…………………………………………………………………………………..……………….……….…..56 Imagen 39.Vista general de máquina peletizadora ED 150 …………………………………………………………………………….…..57 Imagen 40. Placa de datos de máquina peletizadora ………………………………………………………………………………..….…..57 Imagen 41. Muestras de aserrín secado al sol ………………………………………………………………………………..………….…58 Imagen 42. Carga de materia prima a la máquina.………………………………………………………………………..………….……..59 Imagen 43. Matriz Fija de Maquina Peletizadora.………………………………………………………………………..…………………59 Imagen 44. Pellets Fabricados con distintos clases de desechos de Madera.………………………………………..………….……….….60 Imagen 45. Vista de matriz perforada y rodillos ………………………………………………………………………..……………….…60 Imagen 46. Ajuste de la presión de los rodillos fijos ………………………………………………………………………..……………..61 Imagen 47. Máquina procesando Pellets ………………………………………………………………………..…………………………61 Imagen 48. Plano de ubicación planta peletizadora ………………………………………………………………………..……………..73 Índice de tablas Tabla 1. Características físicas de los pellets a partir de desechos de madera ……………………………………………..……..……..…16 Tabla 2. Descripción General de los mercados de pellets en todo el mundo ……………………………………………..………..………23 Tabla 3. Estándares en España - DIN y DIN PLUS.……………………………………………..……………………..………………..…24 Tabla 4. Detalles producción de carbón Rosario de Mora.……………………………………………..……………………………..……45 Tabla 5. Datos carbón del CNE.……………………………………………..……………………..……………………..………………..46 Tabla 6. Volumen comercialización informal carbón.……………………………………………..……………………..…………………51 Tabla 7. Volumen comercializado de carbón por Departamentos ……………………………………………..……………………………53 Tabla 8. Volumen producido de aserrín producido por Departamentos ……………………………………………..……………….……..55 Tabla 9. Resultados de análisis a materia prima y pellets Finales..……………………………………………..………………………….63 Tabla 10. % Promedios de humedad de pellets…………………………………..……………………..……………………………..…….64 Tabla 11. % Promedios de humedad del aserrín. …………………………………………..……………………..………………..……….64 �viii Tabla 12. % Promedios de ceniza pellets ……………………………………………..……………………..…………………….………..65 Tabla 13. % Promedio de ceniza del aserrín ……………………………………………..……………………..………………….……….66 Tabla 14. Poder calorífico de los pellets ……………………………………………..……………………..………………………………66 Tabla 15. Poder calorífico del aserrín ……………………………………………..……………………..…………………………………67 Tabla 16. Resultados de pellets mezcla de aserrines ……………………………………………..……………………..…………………..68 Tabla 17. Porcentaje de aceptación del coeficiente de variación respecto a la media ……………………………………………..………69 Tabla 18. Validación estadísticas de los resultados obtenidos…………..……………………………………………..……………………70 Tabla 19. Determinación localización planta piloto peleas ……………………………………………..……………………..…….……..72 Tabla 20. Determinación localización planta piloto peleas ……………………………………………..……………………..…….……..72 Tabla 21. Determinación localización planta piloto peleas ……………………………………………..……………………..…….……..73 Tabla 22. Inversión inicial proyecto planta peletizadora ……………………………………………..……………………..………………74 Tabla 23. Otras inversiones.……………………………………………..……………………..…………………..………………………..74 Tabla 24. Proyección de venta pellets.……………………………………………..……………………..…………………………………75 Tabla 25. Costos de operación y mantenimiento ……………………………………………..……………………..………………………75 Tabla 26. Costos de comercialización………..……………………..……………………..……………………..………………………… 75 Tabla 27. Flujo de caja libre del proyecto………..……………………..……………………..……………………..…………………..…76 Tabla 28. Flujo de caja libre del inversionista ………..……………………..……………………..……………………..……………..….77 Tabla 29. Flujo de caja libre escenario 1 precio pellets 10 ctvs. de dólar la libra y costos aumentados 10% ………..…………………….78 Tabla 30. Flujo de caja libre escenario 2 costos aumentados en un 10% precio 9 ctvs. de dólar la libra ………..…………………………79 Índice de gráficos Gráfico 1. Cantidad de CO2 dejada de emitir al usar peleas …………..……………………..……………………..………………….….17 Gráfico 2. Proyección consumo mundial de pellets..…………..……………………..……………………..……………………….…..….20 Gráfico 3. Proyección producción mundial de pellets.…………..……………………..……………………..…………………………….21 Gráfico 4. Consumo carbón por departamentos …………..……………………..……………………..………………………….………..54 Gráfico 5. Producción aserrín por departamentos …………..……………………..……………………..………………………….…..…55 Gráfico 6. % De humedad de pellets..…………..……………………..……………………..…………………………….……….………64 Gráfico 7. % De humedad del aserrín …………..……………………..……………………..………………………….………….………65 Gráfico 8. % De ceniza de los pellets.…………..……………………..……………………..………………………….………….………65 Gráfico 9. % De ceniza del Aserrín. ………….……………………..……………………..………………………….………….…………66 Gráfico 10. Poder calorífico de los pellets …………..……………………..……………………..………………………….…….……….67 �ix Gráfico 11. Poder calorífico de los pellets …………..……………………..……………………..………………………….…….……….67 Gráfico 12. Comparativo poder calorífico pellets …………..……………………..…………………..……………………………………68 �x 1. Introducción La presente investigación tiene por objetivo estudiar el carbón vegetal, sus métodos de producción, diversos usos, consumo, y su incidencia en el deterioro ambiental. Asimismo, se propone brindar un paliativo a éste impacto a través del uso de residuos de madera (aserrín y viruta), que resultan del corte, cepillado y aserrado de la madera, dichos trabajos son realizados en aserraderos y carpinterías en nuestro país. Nuestro propósito es elaborar pellets con este insumo a través de medios mecánicos. Creemos que el uso de pellets a nivel doméstico permitiría disminuir el consumo de carbón. Esta técnica es manejada en diferentes países, como España, Austria, Camerún, Alemania, donde se ha convertido en una opción para reciclaje. Es importante señalar que los pellets, además de ser un combustible que sirve para generar calor en cocinas artesanales, parrillas para asados, hornos y calderas, son un producto ecológico y renovable; es decir, son una alternativa viable y barata contra los combustibles que dañan el ambiente, tales como la leña y el carbón. Ahora bien, es fundamental traer a luz que los pellets se elaboran a partir de aserrín compactado, por lo que son considerados como residuos inservibles. Un dato interesante sobre este material es que no se utiliza ningún tipo de aglomerante en su elaboración, pues la humedad y la propia lignina de la madera funcionan como pegamento natural. Entre las ventajas de la utilización de los pellets se pueden mencionar: produce mayor poder calorífico; posee baja humedad; es de alta densidad; ocupa menos espacio; es de fácil manipulación; no produce olores ni humo ni chispas; y produce menos porcentaje de cenizas. 1.1 Antecedentes Se han realizado estudios sobre la explotación de leña para fines de cocción, así como para la obtención de carbón, y se ha analizado lo que esto representa en la deforestación del país. Ejemplo de este tipo de investigaciones es el proyecto “Caracterización del consumo de leña y carbón vegetal en El Salvador”, realizado por el Departamento de Ciencias Energéticas y Fluídicas de la Universidad Centroamericana José Simeón Cañas. Por otro lado, actualmente la empresa Bioenergías de Cuscatlán comercializa la llamada leña ecológica (Eco flama), que es un producto elaborado a partir de la mezcla de aserrín con papel periódico. Dicho proyecto es fruto del apoyo obtenido a través de Alianza en Energía y Ambiente con Centroamérica (AEA). Las briquetas así elaboradas son comercializadas en el mercado nacional. 1.2 Situación actual El recurso forestal provee el 43 % de toda la energía que es consumida a escala nacional, debido a que el 63 % de la población a nivel rural, utiliza la leña como fuente de energía . Según la FAO, en un estudio realizado en el país en el año 2006, la cobertura forestal 1 Marielos Alfaro: Informe subregional Centroamérica y México. www.fao.org1 !1 http://www.fao.org era de 9.6 % del territorio nacional; en este estudio se incluyeron todas las especies forestales existentes, dentro de las cuales pueden mencionarse: bosques de Coníferas, especies Latifolias, Manglares en las zonas costeras y todas las demás plantaciones forestales existentes en el país, incluyendo la cobertura del cultivo del café y los árboles de sombra, tales como pepetos, robles, cedros, conacaste y otras especies forestales esenciales y necesarios para el desarrollo del cultivo del cafeto. Por otra parte, la subida de los precios del gas propano es otro factor importante que incrementa la destrucción masiva de los recursos forestales por la depredación ocasionada para cubrir necesidades energéticas. Asimismo, la deforestación para producir carbón se suma a la ya decaída situación de los recursos naturales en el país. Por lo anterior, se ha tomado la decisión de contribuir y ser parte de la solución a través de esta investigación, brindando resultados que permitan establecer lo que sería una línea base de la problemática así como una propuesta de solución, la cual no necesariamente es total, pero permite allanar el camino a una solución integral. 1.3 Hipótesis Como parte de la solución ante el problema de la deforestación, proponemos el reciclaje de los desechos de aserraderos con la fabricación de pellets como fuente de energía para cocinas a base de leña. !2 2. Objetivos 2.1 Objetivo general Desarrollar una investigación que tenga como finalidad la sustitución gradual del carbón utilizado para fines domésticos, por pellets fabricados a partir de desechos que son resultado de procesos en los aserraderos. 2.2 Objetivos específicos ✴ Investigar la producción y comercialización de carbón vegetal a fin de determinar qué cantidad podría ser sustituida por pellets. ✴ Estimar el volumen de desechos de los aserraderos principales en el país, con la finalidad de conocer la materia prima con que se podría contar para la fabricación de pellets ✴ Implementar proyecto piloto de producción de pellets ✴ Realizar un análisis técnico - económico para determinar la factibilidad del proyecto desde dicho punto de vista !3 3. Procesos de producción 3.1 El carbón El carbón vegetal es un material combustible sólido, frágil y poroso con un alto contenido en carbono (del orden del 80%). Se produce por calentamiento de madera y residuos vegetales, hasta temperaturas que oscilan entre 400 y 700 °C, en ausencia de aire. El poder calorífico del carbón vegetal oscila entre 29.000 y 35.000 kJ/kg , y es muy superior al de la madera, que oscila entre 12.000 y 21.000 kJ/kg. Debido a su poder calorífico antes mencionado tiene variedad en sus usos que se detallan a continuación: 3.1.1 Usos del Carbón 3.1.1.1 Doméstico Su aplicación más común es de tipo doméstico para generar calor y así cocinar, por lo general para asados, aunque es usado para cocina en general. 3.1.1.2 Industrial La aplicación del uso del carbón en la industria de la metalurgia del hierro es una de las más antiguas que se conoce, y esto se debe a que las temperaturas que el carbón vegetal alcanza son lo suficientemente altas para fundir los minerales; esto no se logra con la madera, porque tiene un poder calorífico bajo en comparación con el carbón, y no logra alcanzar las temperaturas requeridas que el carbón vegetal sí cumple. Además, el carbono contenido en el carbón vegetal actúa como reductor de los óxidos del metal que forman los minerales, de tal manera que si se aplica técnicas especiales, puede lograse que un cierto porcentaje de carbono pueda alearse con el hierro, dando paso así a la creación del acero, lo cual fue importante para el desarrollo de armamento y herramientas más resistentes al impacto y oxidación. Además, el carbón vegetal resulta más barato y sencillo de producir, por lo que a pesar de ser un absorbente relativamente de baja eficiencia, se puede utilizar en determinadas aplicaciones que no necesitan de una gran capacidad de absorción, como por ejemplo, para absorber moléculas de tamaño relativamente grandes que se encuentren en un rango menor a 50nm, una de las aplicaciones de este tipo es la clarificación de bebidas alcohólicas como el vino, cerveza y whisky. Por otra parte, la pólvora negra es uno de los explosivos más usados, desde explosivo para minería hasta detonante para armamento militar. Se compone de un 75 % de salitre (nitrato de potasio), un 12 % de azufre y un 13 % de carbón vegetal . Estos ingredientes al 2 Trabajo de graduación: Evaluación de la calidad del carbón vegetal producido en hornos de retorta y hornos metálicos portátiles en el 2 salvador. UCA. !4 quemarse producen un gas que tiende a ocupar un volumen 400 veces mayor que la mezcla original, produciendo una fuerte presión en las paredes del recipiente que los contiene. 3.1.2 Obtención del carbón El carbón vegetal es un producto sólido, frágil y poroso que contiene un alto porcentaje de carbono de un orden del 80 %, este es producido por el calentamiento de la madera o residuos de vegetales en ausencia de aire. La temperatura con la cual se forma el carbón se encuentra entre 400 a 700 °C, este proceso se denomina pirólisis o carbonización, en dicho proceso se obtienen gases y aceites que son producidos por el calentamiento del material vegetal. Como materia prima para obtener carbón vegetal de uso comercial se utiliza en la actualidad varias fuentes que se detallan a continuación: ✴ Desechos de árboles y leña ✴ Desechos residuales de la industria de la madera. ✴ Desechos orgánicos (basura) Los carbones fabricados de desechos de árboles y leña son trozos más o menos sólidos de carbón que se pueden envasar y comercializar directamente, mientras que los obtenidos de desechos residuales de la industria de la madera hay que aglutinarlos en briquetas, ya que quedan muy desmenuzados. Estas briquetas son muy comunes en el mercado y en general son de peor calidad en cuanto a valor calórico que los trozos de carbón naturales. En el proceso de la carbonización se dan 3 fases de cambios químicos: ✴ La deshidratación de la madera se produce hasta alcanzar los 170°C donde se destilan algunos gases y se degrada la madera. ✴ Cuando el proceso de producción de carbón alcanza los 270 °C, se desprenden gases, constituidos en su mayor parte por CO2 y CO, en esta fase se observa también el desprendimiento de líquidos acuosos. ✴ En esta fase se alcanza la mayor temperatura del proceso, la que usualmente es cercana a los 600 °C. A esta temperatura ocurre la carbonización, observándose el desprendimiento de substancias volátiles en abundancia. Cuando cesa la liberación de sustancias volátiles el carbón vegetal se encuentre listo. Este proceso de calentamiento de la madera es primero endotérmico y luego de alrededor de 250 a 300 °C se vuelve exotérmico y comienza a generar calor propio hasta que la carbonización se ha completado. De este proceso de descomposición queda un residuo sólido de color negro y con un entramado muy fino compuesto en su mayoría de carbono amorfo y productos no volátiles que posteriormente se convertirá en cenizas. De esta forma durante el proceso de carbonización se producen dos fracciones que son carbón fijo (carbón) y gases. !5 El rendimiento del proceso de carbonización puede variar por diversas razones, por ejemplo, dependerá del tipo de madera a carbonizar, de su contenido de humedad, de las condiciones ambientales, del tipo de horno y de los parámetros de tiempo y temperatura de operación del horno. Normalmente para un horno tipo retorta se espera un rendimiento del 83%, para un horno cilíndrico metálico un rendimiento máximo del 31% y para el método tradicional de parvas un rendimiento máximo del 16% . 3 Es deseable que la humedad de la madera o leña sea la menor posible para que el proceso de carbonización no requiera mucho consumo de combustible y que el proceso se desarrolle en el tiempo óptimo, usualmente la humedad no debe superar del 20%. Cuando la humedad sobrepasa este valor es recomendable que se proceda a un secado de la madera, que puede realizarse simplemente dejando la madera al aire y al sol. Para la obtención del carbón vegetal, los productores crean una barrera física que aísle la madera del exterior, con el fin de evitar que el oxígeno entre en contacto con la madera caliente y esta se incendie. Esta barrera puede ser creada por diversos métodos utilizando capas protectoras de tierra o ladrillo, una fosa en el suelo, paredes de cemento armado o metal. A continuación se presentan los métodos usualmente utilizados para el proceso de carbonización. Métodos tradicionales de carbonización: 3.1.2.1 1Hornos de tierra La producción de carbón vegetal por medio de esta técnica es de las más antiguas. La ventaja que presenta este método es su sencillez. Dentro de las desventajas están la contaminación que sufre el carbón por la mezcla con tierra. Los tipos de horno se diferencian entre sí por la manera de llevar a cabo la carbonización (ascendente o descendente) así como por el acomodo que se lleva a cabo de la leña (vertical u horizontal). Uno de los principales motivos de su uso es lo relacionado con sus costos, ya que únicamente se necesitan herramientas básica (palas, hachas, rastrillos) para su implementación. La capacidad de producción es de 6 a 18 metros cúbicos de leña a carbonizar. Del tamaño del material a carbonizar depende en gran medida el tiempo necesario para obtener el carbón, variando este entre ocho a 13 días. El rendimiento alcanzado oscila entre el 10% y 20%. Trabajo de graduación: Evaluación de la calidad del carbón vegetal producido en hornos de retorta y hornos metálicos portátiles en el 3 salvador. UCA. !6 3.1.2.2 Hornos subterráneos Existe una variedad de hornos subterráneos, desde los más sencillos hasta los más sofisticados, los cuales controlan el flujo de gases por orificios y tubos. Las ventajas del sistema son que la fosa puede utilizarse varias veces, teniéndose que proteger únicamente la parte superior de la entrada del aire. Dentro de sus desventajas están que en invierno fácilmente entra el agua a la fosa, Además su rendimiento es bajo. Al igual que los hornos de tierra los costos son mínimos y se utiliza igual herramientas. La capacidad es variable pero es común encontrar con capacidades máximas de 20 metros cúbicos. El tiempo de carbonización es menor que el necesitado en los hornos de tierra, pero es más tardado el tiempo de enfriamiento. De esta clase existen tres tipos principales, los cuales se diferencian entre sí por el flujo de los gases. El rendimiento oscila entre el 10 y 15 %. ! Imagen 1. Preparación horno de fosa Fuente: Manual para la producción de carbón vegetal con métodos tradicionales Los hornos subterráneos son conocidos según la siguiente clasificación: ✴ Horno subterráneo con una chimenea ✴ Horno subterráneo con dos chimeneas ✴ Horno subterráneo con varias chimeneas !7 3.1.2.3 Hornos de Mampostería Los hornos de mampostería tienen un funcionamiento similar a los de tierra y subterráneos, solamente que en vez de tierra, hierba o lámina se tiene una pared de adobe o ladrillo, lo que los vuelve más eficientes que los otros. El control de aire se realiza por medio de agujeros que se abren y cierran. La carbonización puede ser ascendente o descendente. Los que tienen chimeneas hacen que se produzca un flujo forzado de los gases, resultando de ello una disminución del tiempo de carbonización. Se obtiene una mejor calidad de carbón, debido a que está libre de impurezas, siendo más homogéneo. Este tipo de hornos tienen una vida útil de varios años. Este tipo de horno es fijo y las distancias para transportar la leña al sitio tiende a aumentar durante la producción. La capacidad de estos hornos varía desde los 3 metros hasta los 50 cincuenta metros cúbicos. El rendimiento de estos tipos de horno es de alrededor del 25 % ! Imagen 2. Horno de mampostería Fuente: Manual para la producción de carbón vegetal con métodos tradicionales 3.1.2.4 Horno media naranja Su construcción es similar a la anterior con dimensiones de siete metros en la base así como dos puertas para la carga y descarga, con una altura de uno punto sesenta metros y doce orificios en la parte inferior que sirven para la entrada y salida de aire. También se deja un orificio en la parte superior para el encendido. El proceso de carbonización termina cuando sale humo azul por los orificios de la base. Se cierran todos los orificios y luego se le baña la superficie con agua para enfriarlo más rápidamente. El tiempo promedio de carbonización es de quince días, produciendo entre nueve y diez toneladas de carbón por ciclo. !8 ! ! Imagen 3. Horno de media naranja Fuente: Manual para la producción de carbón vegetal con métodos tradicionales 3.1.2.5 Horno brasileño El horno es construido con ladrillos o adobe con dimensiones de cinco metros de base y tres metros de alto, teniéndose dos puertas y seis chimeneas, así como en la parte superior un orificio en la cúpula. Se dejan cuatro hileras de orificios que hacen un total de cincuenta En este tipo de hornos se coloca la leña en forma vertical y cuando comienza la bóveda en forma horizontal. Los leños más !9 gruesos van al centro del horno. El tiempo de carbonización requerido es de nueve días con una producción de cinco toneladas por ciclo. El procedimiento de carbonización es similar al anterior. ! Imagen 4. Horno Brasileño Fuente: Manual para la producción de carbón vegetal con métodos tradicionales ! Imagen 5. Producción tradicional de carbón vegetal mejorada horno de ladrillo de tipo brasileño en Cuba Fuente: http://www.fao.org/docrep/005/y4450s/Y4450S11.htm !10 http://www.fao.org/docrep/005/y4450s/Y4450S11.htm 3.1.2.6 Hornos Metálicos En los años 30 se difundió en Europa, para la fabricación de carbón vegetal, el empleo de hornos metálicos cilíndricos transportables. Durante la Segunda Guerra Mundial su técnica fue desarrollada aún más por el Reino Unido en su laboratorio de investigación de productos forestales (UK Forest Products Research Laboratory). Diversas versiones del diseño original fueron usadas de una extremidad a otra en el Reino Unido. Esta tecnología fue transferida a los países en vía de desarrollo a fines de los años 60 especialmente con las actividades del Departamento Forestal de Uganda. 3.1.2.7 Métodos industriales de carbonización La tendencia actual en la producción de carbón vegetal aspira a mejorar los efectos medioambientales manteniendo o elevando al mismo tiempo el rendimiento y la calidad del producto. Recipientes de acero o retortas se llenan con leña presecada y se colocan en un horno de carbonización de ladrillo calentado a 900 °C. Los alquitranes y gases producidos al calentarse la madera se conducen a una cámara de combustión separada a alta temperatura. El gas de combustión que sale de esa cámara se utiliza para calentar el horno de carbonización, y el calor restante del horno se utiliza para el presecado de la leña. El excelente aprovechamiento del calor de este tipo de equipo permite producir 1 kg de carbón vegetal por 3 o 4 kg de leña. La altísima temperatura de la cámara de combustión hace que se quemen por completo todas las partículas, alquitranes y gases. En los Países Bajos, se ha certificado que este tipo de equipo cumple con los requisitos estrictos de emisión para las instalaciones de combustión. Las emisiones de alquitranes, monóxido de carbono y peróxido de nitrógeno, así como los componentes olorosos, están muy por debajo de los límites legales. Las nuevas fábricas de carbón vegetal de alto rendimiento y bajas emisiones requieren mayores costos de inversión que los viejos hornos o retortas de ladrillo o acero, pero en muchos casos esto se compensa sobradamente con el mayor rendimiento y el mejoramiento en las emisiones viene a ser una prima gratuita. Por ello esta tecnología relativamente nueva se ha extendido en los dos últimos años no sólo en los países de la Unión Europea cuidadosos del medio ambiente (Francia, Países Bajos), sino también en Europa oriental (Estonia) y en regiones en desarrollo (China, Ghana, Sudáfrica). En Singapur está en construcción una fábrica de carbón vegetal a partir de maderas vieja. En la producción industrial de carbón la fracción de gases se recupera, porque en ella hay componentes muy útiles para la industria en general. !11 ! Imagen 6. Horno industrial para elaborar carbón Fuente: http://www.fao.org/docrep/005/y4450s/Y4450S11.htm La imagen siguiente muestra un esquema de un proceso de fabricación de carbón con la recuperación de los subproductos. ! Imagen 7. Proceso de fabricación Fuente: http://www.sabelotodo.org/combustibles/carbonvegetal.html La materia vegetal se introduce en una cámara aislada donde se calienta a través de un quemador de gases, los productos gaseosos debido a la descomposición se llevan hasta un condensador donde se producen tres fracciones: 1. Una fracción que permanece gaseosa y que se usa para calentar la propia instalación ya que contiene gases combustibles principalmente monóxido de carbono. 2. Una fracción acuosa mayoritaria donde están disueltas gran cantidad de sustancias (alcoholes, cetonas, fenoles, aldehídos etc.) !12 http://www.fao.org/docrep/005/y4450s/Y4450S11.htm http://www.sabelotodo.org/combustibles/carbonvegetal.html 3. Una fracción semisólida (pastosa) conocida como alquitrán constituida por una mezcla de cientos de productos, principalmente hidrocarburos. La naturaleza y composición de las fracciones depende del tipo de materia vegetal utilizada, pero es en todos los casos una excelente fuente de materia prima para la industria química. El carbón vegetal quedará dentro de la cámara de calentamiento una vez que cese la producción de gases. 3.1.2.8 Resumen de los métodos de carbonización A continuación se presentan los valores alcanzados con hornos artesanales de tipo parva de tierra, de acero, así como con hornos industriales. Los rendimientos obtenidos con hornos de tipo parva de tierra carbonero van de 60 a 120kg por tonelada de madera, y con un horno forestal metálico de 120 a 170 kg por tonelada de madera, mientras que con un horno industrial se alcanza de 225 a 250 kg de carbón por tonelada de madera . 4 ! Imagen 8. Comparativa de tipos de carbonización Fuente: http://users.skynet.be/mariela.tadla/carbonizacion/es/topFrame_1_es.html http://users.skynet.be/mariela.tadla/carbonizacion/es/topFrame_1_es.html4 !13 http://users.skynet.be/mariela.tadla/carbonizacion/es/topFrame_1_es.html http://users.skynet.be/mariela.tadla/carbonizacion/es/topFrame_1_es.html 3.2 Aserrín Los bosques son una parte fundamental del ecosistema al absorber el CO2, impedir la desertificación y servir de hábitat para una variada fauna. Reciclar la madera, permite disminuir el ritmo de tala contribuyendo así al cuidado del medio ambiente. La creciente preocupación por el cambio climático está trayendo consigo un mayor interés en todo el mundo por limitar las emisiones de CO2, uno de los principales causantes del efecto invernadero. En consecuencia un aspecto fundamental de la lucha contra el cambio climático es evitar la deforestación, que además trae consigo otros problemas como la desertificación o la pérdida de biodiversidad. Una de las mejores maneras de impedir tala masiva de árboles es por medio del reciclado de la madera. En este apartado se abordará esencialmente el residuo de los procesos de corte de la madera conocido como aserrín. 3.2.1 Aserrín, como biocombustible. Científicos e investigadores de todo el mundo han tratado por años de desarrollar nuevos biocombustibles sin tener un impacto negativo en la industria alimenticia y en el medio ambiente. Sin embargo, desde hace ya algunos años en una universidad de Canadá han hallado una solución: aserrín. Para esto están usando un reactor de pirólisis, el cual es capaz de alcanzar temperaturas de 500ºC, ellos han encontrado una forma de extraer aceites vegetales de materiales no combustibles de origen vegetal como el aserrín y la paja. Otro ejemplo del aserrín como biocombustible es el producido en una planta de la localidad misionera de Santa Ana, Sonora, México, en donde se utiliza una tecnología proveniente de Brasil para reprocesar los residuos de la industria forestal de la zona y obtener productos de mayor valor agregado. La maquinaria que se utiliza, tiene la capacidad de carbonizar el aserrín y producir carbón sólido y un biocombustible líquido que se genera durante el proceso de reconversión del aserrín. 3.3 Pellets Son dos los principales productos elaborados industrialmente a partir de aserrín destinados a la generación de energía: los pellets y las briquetas, los que son denominados de manera genérica por la sigla DBF. Este tipo de productos consisten principalmente en aserrín compactado por medio de la aplicación de alta presión, lo que genera una aglutinación de las partículas gracias a la acción de la lignina propia de la madera. Durante este proceso, por lo general no es incluido ningún tipo de aglutinante artificial, aunque algunas empresas lo utilizan en proporciones muy menores, principalmente con el propósito de mejorar la cohesión de las partículas y la generación de energía al momento de la combustión. En el caso de las briquetas estas son de forma cilíndrica, de 10 cm de diámetro y de un largo de entre 25-40 cm. Algunos tipos de briquetas son de forma rectangular (tipo ladrillo), otras son de forma cilíndrica y además huecas, estas últimas logran una aceleración !14 http://reciclarrin.blogspot.com/2013/06/aserrin-quiza-el-proximo-gran.html considerable al momento de la combustión, pese a esto, el modelo más utilizado es el de briquetas cilíndricas macizas, principalmente por su similitud visual con la leña. 3.3.1 Wood pellets Los pellets de madera (Wood pellets), son un combustible orgánico en forma de partículas cilíndricas, producido principalmente a partir de desechos de la industria forestal y de desechos provenientes de la silvicultura. Las propiedades físicas que debe cumplir la producción de pellets según los estándares propuestos por el Pellet Fuels Institute (PFI, 1999), organización no gubernamental norteamericana encargada de proponer normas de elaboración y difundir nuevas tecnologías relacionadas con este tipo de combustible. Imagen 9. Wood pellets Fuente: http://www.gemcopelletmill.com, “Sources of making Wood pellets” !15 http://www.gemcopelletmill.com Tabla 1. Características físicas de los pellets a partir de desechos de madera Fuente: www.pelletheat.org, Pellet Fuel Institute. El poder calorífico de los pellets se sitúa entre 4.200 y 4.500 kcal/kg . Solo el carbón sub-bituminoso utilizado principalmente en la 5 generación de energía termoeléctrica, presenta el mismo poder calorífico que los pellets a base de desechos de aserrín (4500 kcal/kg). En la actualidad, no existen estándares de calidad obligatorios para la elaboración de pellets en el mundo. Pese a ello, las diferentes empresas productoras han decidido tomar de manera voluntaria las especificaciones propuestas por el PFI (u otras similares), con el fin de lograr un producto de alta calidad y de gran eficiencia al momento de la combustión (Wood Pellet Fuel Manufacturers Association of Brithish Columbia, www.pellet.org, 2002). Existe un interés manifiesto, en especial por parte de la Comunidad Europea, por establecer estándares de calidad obligatorios para la elaboración y comercialización de este tipo de producto (Wood Pellet Fuel Manufacturers Association of Brithish Columbia, www.pellet.org, 2002). Algunas de las principales razones detalladas por los fabricantes de pellets en pro de su utilización como combustible son: • Reduce la dependencia en combustibles tales como el carbón, la leña, el petróleo y sus derivados de origen fósil. • Constituye una fuente de energía renovable. • Es producido a partir de desechos de la industria forestal, por lo que su elaboración no ejerce presión sobre el medio ambiente y sus recursos naturales. Propiedad Valor Comentario Densidad 650 kg/m3 A rangos menores de densidad se produce mayor cantidad de finos Dimensiones Longitud 38.1 mm, Diámetro 6.35 mm o 7.937 Finos 5% del peso total de los pellets terminados Una alta cantidad de finos puede producir averías en los equipos de combustión Cloruros <300 ppm El nivel de sales debe ser bajo para evitar problemas de oxidación Contenido de Ceniza 1% del peso total de los pellets terminados Una baja producción de cenizas garantiza una menor periódica en la limpieza de los equipos de combustión Poder Calorífico 4.500 kCal/kg (8200 Btu/ libra) Temperatura de la llama 1200 a 1400 C∘ Contenido de Humedad 8% Es un determinante importante al momento de la combustión de los pellets Tamizado por filtro de 1/8 de pulgada el producto final no debe tener un tamaño mayo a 1/8” www.pelletheat.org, Pellet Fuel Institute.5 !16 http://www.pellet.org http://www.pellet.org • No presenta grandes variaciones en términos de precios de comercialización en el mercado internacional, a diferencia de lo que ocurre con otros combustibles de uso más tradicional. • Produce una baja cantidad de residuos tanto sólidos como gaseosos al momento de su combustión. • Constituye una alternativa en la generación de energía y calefacción en aquellas ciudades en las que existen restricciones en relación con las emisiones de gases, lo que ha derivado en la prohibición del uso de estufas a leña o chimeneas. Una de las ventajas más significativas de la utilización de pellets de madera es que su utilización contribuye a la disminución de la emisión de gases de efecto invernadero, en especial de CO2, favoreciendo la sustitución progresiva de combustibles como el petróleo, el carbón y la leña. Gráfico 1. Cantidad de CO2 dejada de emitir al usar pellets Fuente: www.pelletheat.org, Dr. Jerry Whitfield, “Reduction in green house gases using biomass pellets for Residential Space Heating” 1998. En el gráfico se muestra la cantidad de CO2 que es dejada de emitir al reemplazar las fuentes de energía más tradicionales por pellets. !17 En síntesis los pellets de madera o Wood pellets constituyen en los países desarrollados una alternativa real de generación de energía limpia, además de constituir una forma de aprovechamiento de los desechos de la producción forestal, lo cual optimiza el uso del recurso sin ejercer mayores presiones sobre los bosques. 3.3.2 Materia prima para fabricación de Pellets Los desechos de remanufactura presentan por lo general bajos contenidos de humedad, debido a que provienen de procesos industriales en los que la materia prima es secada previamente a su procesado. Los desechos de madera provenientes directamente del bosque o del aserrín como residuo de los diversos trabajos que se realizan con este material presentan contenidos de humedad por sobre un 50%. Imagen 10. Aserrín Fuente: Elaboración propia Otras materias primas consideradas en la actualidad para la producción de pellets son: • Corteza. • Restos de cosecha agrícola. • Papel y cartón. • Desechos provenientes la silvicultura y de cosecha forestal. El peletizado de otro tipo de materias primas, además de la madera, no es de interés en la actualidad, debido principalmente a que en la mayoría de los países productores existe suficiente aserrín y restos de aserradero provenientes de la industria de la madera capaz de satisfacer la demanda de materia prima. El siguiente paso podría ser el uso de astillas de madera (Wood chips) y, aún más adelante, madera destinada especialmente para la generación de energía, proveniente de plantaciones de especies con rotación corta destinadas exclusivamente para este propósito (Malisius, 2000). !18 El contenido de humedad considerado óptimo para el procesado de la materia prima está en el rango de entre 8 -12%. La madera blanda (confieras, pino, entre otros) es considerada ligeramente mejor como materia prima que la madera dura (roble, entre otros) debido principalmente a su mayor contenido de lignina. La lignina es un aglutinante natural de las fibras de la madera y actúa con esta misma propiedad sobre el material que constituye los pellets (Alakangas, 2002). Si la materia prima de los pellets contiene corteza, el poder calorífico de estos aumenta (Alakangas, 2002), pero desafortunadamente la proporción de cenizas resultantes también se incrementa, esto se debe a las impurezas que la corteza pueda contener (Tilt, 2000). La producción de una tonelada de pellets (contenido de humedad en rango de 7- 10%) requiere las siguientes concentraciones de materia prima (Kyto&Aijala 1981, citado por Alakangas, 2002): • Alrededor de 7 metros cúbicos a granel de aserrín (contenido de humedad 50 - 55%). • Alrededor de 10 metros cúbicos a granel de virutas o cortes de desecho (contenido de humedad 10 - 15%). La fabricación de pellets a partir de biomasa verde ha sido ampliamente estudiada en países como Suecia y Finlandia. En Finlandia ha sido analizado este tipo de producción por el Forest Research Institute desde comienzos de los años 80. Es importante destacar también que posible usar corteza y residuos de troncos como materia prima para la fabricación de los pellets. De acuerdo con algunos estudios, se concluyó que la densidad de los pellets no tiene efecto sobre su firmeza o cohesión, contrariamente a la concentración de lignina, que sí la mejora. Además, se determinó que el contenido de cenizas de los pellets producidos a partir de biomasa verde es alto y su poder calorífico es menor en relación con los pellets producidos a partir de otro tipo de materias primas. Esto puede ser debido a la reducción de elementos volátiles que ocurre durante el proceso de secado (Alakangas, 2002). Otros problemas observados en los pellets elaborados con biomasa verde es que estos no pueden ser almacenados por periodos de tiempo muy prolongados, a diferencia de los fabricados a base de aserrín y virutas más secos. La consistencia de este tipo de pellets es reducida, y se ha encontrado crecimiento de actividad microbiológica en ellos, en particular en aquellos en que su producción incluye restos de corteza (Lethikangas, 1999, citado por Alakangas, 2002). En términos de precio los pellets producidos a partir de biomasa verde no son competitivos con aquellos producidos a partir de aserrín y virutas, debido a los altos costos que implica el secado y la materia prima (Alakangas, 2002). 3.3.3 Demanda mundial de Pellets Existe un alto crecimiento del mercado de biomasa en el viejo continente, lo cual se refleja en los altos volúmenes de producción de los diferentes países que lo componen. Esto se refleja por ejemplo en el Reino Unido, en donde la empresa RWE Innogy, !19 utiliza hasta 2.5 toneladas de pellets por año, para la generación de energía en su planta, lo cual la convierte en el usuario más grande de este insumo en el mundo. Por su parte, Suecia se destaca como uno de los mayores países consumidores de pellet de madera, registrando un consumo total de 1.85 millones de toneladas utilizadas, de las cuales el 40% fueron dirigidas a la generación de calor y energía, para diferentes plantas de producción industrial del país. � Gráfico 2. Proyección consumo mundial de Pellets, Fuente: Estudio Global Wood Pellet industryMarket and Trade. IEA Bioenergy, de diciembre de 2011 La producción de pellets de madera (combustible granulado) se ha multiplicado por 10 en la última década, debido principalmente a la demanda creada por las políticas y objetivos bioenergéticos en Europa. Los primeros datos publicados hasta ahora sobre los pellets de madera, proporcionados por la FAO, indican que en 2012 la producción mundial de pellets ascendió a 19 millones de toneladas, con cerca de la mitad de este total (9,3 millones de toneladas) comercializada a nivel internacional, en comparación con sólo 2 millones de toneladas hace una década. Europa y Norteamérica representan casi la totalidad de la producción mundial (66 y 31 % respectivamente) y del consumo de pellets (80 y 17 % respectivamente). !20 � Gráfico 3. Proyección producción mundial de Pellets Fuente: Estudio Global Wood Pellet industryMarket and Trade. IEA Bioenergy, de diciembre de 2011 Perfilándose como uno de los mayores fabricantes de pellets en Europa para 2020, Rusia ha registrado crecimientos constantes en los últimos cinco años, al reportar 800.000 toneladas en 2010; un año después registró 860.000; y para el 2012 logró una producción total de un millón de toneladas. Cabe destacar que el crecimiento progresivo de Rusia en la producción de pellets se debe, en parte, a que tiene una de las compañías más grandes del mundo para su fabricación, la Vyborgskiy Cellulose VLK, ubicada cerca de la frontera con Finlandia y que cuenta con una capacidad de producción cercana al millón de toneladas anuales; además está la compañía Arkaim, situada en la región de Khavarovsk, que se suma a las estadísticas de ese país con 250.000 toneladas por año. � Imagen 11. Planta industrial productora de Pellets Fuente: tomado de www.revista-mm.com !21 http://www.revista-mm.com Otro de los países que se destacan en cuanto a la producción de pellets en el continente europeo es España, que cuenta con más de 30 plantas dedicadas a esta actividad, las cuales reportan producciones anuales que sobrepasan las 800.000 toneladas, sumado a un número indeterminado de pequeñas productoras, como aserraderos y carpinterías, que producen en promedio 4.000 toneladas al año, lo que destaca un desarrollo notable donde los últimos cinco años en el tema de venta y producción de este tipo de biomasa en el país ibérico. Otros países que se suman a los datos de crecimiento en producción del mercado de los pellets en el mundo son China, Japón y Corea, que quieren proyectar su producción para el año 2020 como una de las principales en el mundo. Asimismo, gracias a su capacidad instalada, Canadá mostró su gran potencial productor con dos millones de toneladas a finales de 2010, y 3.6 millones de toneladas para 2013, un aumento progresivo con el que espera suplir el creciente consumo de pellets por parte de Europa, que se estima en 11 millones de toneladas para el año 2020. En este sentido, Canadá posee proyecciones en cuanto a la producción de pellets que llegan a las 5.5 millones de toneladas para finales del 2018, con un potencial estimado para exportación de 4.7 millones. La producción de pellets en Norteamérica tiene un papel importante a nivel mundial, gracias al creciente desempeño de Canadá; y si bien Suramérica no tiene un papel relevante en el desarrollo de este insumo en el mercado internacional, cuenta con ejemplos que muestran una perspectiva de crecimiento en la zona que merecen ser resaltados. En el caso de Argentina, que ha comenzado a incursionar en el mercado de pellets, y según datos de INTI-Economía Industrial, – equipo de investigación aplicada en Argentina, consultado por M&M–, cuenta con una capacidad de producción que alcanza un volumen de 50.000 toneladas anuales, una cifra baja si se tiene en cuenta que ese país genera un millón y medio de toneladas de residuos provenientes de aserraderos, los cuales no son aprovechados debidamente. Por esta razón, el objetivo de Argentina actualmente es el aprovechamiento de los residuos generados por los aserraderos de la provincia del Chaco, Misiones y Corrientes, para producir biomasa que será utilizada en 1.200 casas ubicadas en dichos sectores, en cocinas que están siendo construidas por el Instituto de Tecnología Industrial (INTI). Además, el secado de granos, el uso de calderas y hornos, son otros de los procesos en donde la industria de los pellets argentinos quiere incursionar, mediante el procesamiento de aserrín y virutas de maderas nativas de la zona. !22 Tabla 2. Descripción General de los mercados de pellets en todo el mundo Fuente: Industrial Wood Pellets Report 3.3.4 Los estándares industriales y calidad del pellet. Hoy en día cada continente dispone de sus propios estándares en la fabricación del pellet, como Estados Unidos y Europa. En Europa prácticamente cada país dispone de un estándar diferente basado en el tamaño y potencia calorífica del pellet. Estas realidades hacen prácticamente imposible producir un producto que sea apto para todos los países del planeta, pero también hay que remarcar que dicha variación de estándares hacen que uno mismo deba decidir y fabricar su propio producto tal cual considere necesario respecto a la materia prima disponible. País Productoras de Briquetas Producción Consumo Exportación (Importación) Uso de las Briquetas EUROPA Suecia 94 1405.0 1850 (445) ENERGIA/CALEFACCION Italia 75 650.0 850 (200) CALEFACCION Alemania 50 1460.0 900 560 ENERGIA/CALEFACCION Austria 25 636.0 509 117 CALEFACCION Polonia 21 340.2 120 90 CALEFACCION Rumania 21 114.0 25 89 CALEFACCION Finlandia 19 373.0 149.2 223.8 CALEFACCION España 17 100.0 10 90 CALEFACCION Bulgaria 17 27.20 3 24.2 CALEFACCION Letonia 15 379.0 39 340 CALEFACCION Reino Unido 15 125.0 176 (51) ENERGIA/CALEFACCION Eslovaquia 14 117.0 17.55 99.450 CALEFACCION Republica Checa 12 27.0 3 24 CALEFACCION Bélgica 10 325.0 920 (595) ENERGIA/CALEFACCION AMERICA - ASIA Canadá 31 1200 200 1000 CALEFACCION Estados Unidos 97 1800 2096.150 (296.150) CALEFACCION Brasil 1 25 25 0 CALEFACCION Argentina 1 7 7 0 CALEFACCION China 1 50 50 0 ENERGIA/CALEFACCION Japón 55 60 109 (49) ENERGIA/CALEFACCION Korea 1 10 10 0 — !23 Hasta hace poco el estándar Europeo único era un pellet de calidad DIN y DIN PLUS, X, doble X y triple X, pero si hacemos una pequeña búsqueda por internet en busca de estas certificaciones nos damos cuenta que cada país ha creado sus propios estándares que se actualizan con frecuencia y no es más que un proceso de filtrado para que el producto importado tenga un mínimo de calidad: Tabla 3. Estándares en España - DIN y DIN PLUS Fuente: http://www.chimeneascosta.es En la tabla anterior podemos ver los estándares en España, pero al igual, existen estándares para cada país como por ejemplo: Alemania: DIN 51731 ( 2000 ) y DIN PLUS además se clasifican en 5 grupos diferentes. Suecia: SS 187120 ( 1998 ) - y además se clasifican en 3 grupos Italia: CTI R04/05 ( 2004 ) y además posee varias categorías - A1, A2, etc. Dinamarca: Calidad HP y con 4 diferentes calificaciones. Finlandia: Posee unas guías básicas para el buen hacer del pellet sin seguir normas específicas. Austria: ÖNORM con siete variaciones. Parámetros DIN 51731 DIN PLUS Diámetro (mm) 4 - 10 Especificar Longitud (mm) < 5 < 5*Diámetro Densidad ( kg/m3) 1-1.4 >1.12 Humedad ( % masa ) < 12 < 10 Cenizas ( % masa ) < 1.5 < 0.5 PCI ( MJ/kg ) 17.5 - 19.5 > 18 S ( % masa ) < 0.08 < 0.04 N ( % masa ) < 0.3 <0.3 CI ( %masa ) < 0.03 < 0.02 As ( mg/kg ) < 0.8 <0.8 Cd ( mg/kg ) < 0.5 <0.5 Cr ( mg/kg ) < 8 < 8 Cu ( mg/kg ) < 5 < 5 Hg ( mg/kg ) < 0.05 < 0.05 Pb ( mg/kg ) < 10 < 10 Zn ( mg/kg ) < 100 < 100 Densidad aparente - Especificar Durabilidad ( % masa ) - < 2.3 Aditivos ( % masa ) - < 2 !24 Holanda: NTA 8200 - una lista de buenas prácticas para la fabricación del pellet. En el año 2010 se establecieron unas normas europeas EN, elaboradas por un comité llamado EUBIONET que rige todas estas cuestiones y establece las reglas de tamaño y composición. Solo vamos a mencionar las reglas del tamaño. Si se desea saber más sobre las otras normas EN 14961, pueden visitar la página en inglés de EUBIONET. Los pellets quedan clasificados de la siguiente manera: ! Imagen 12. Dimensiones de un pellet Fuente: http://www.chimeneascosta.es Como podemos observar, un pellet considerado de 6mm, quedan como correctos - más/menos - un milímetro, quiere decir que un pellet con diámetro 5 o 7 también se consideran pellet de 6 mm. Es importante tomar a consideración que si un pellet supera los 6mm pero no rebasa los 7mm es considerado un pellet de 6mm ya que por la experiencia vivida por chimeneas costa con distribuidores en algunos de los casos no son considerados como tal por regirse demasiado al standard. 3.3.5 La durabilidad mecánica del pellet La durabilidad mecánica sencillamente se refiere con la calidad y densidad con la cual el pellet se ha formado al final del proceso de fabricación, evidentemente, cuanto más denso, más fuertes y cuanta más densidad se pretende conseguir, tendremos una menor producción junto con un aumento de los precios para producir dicho material. La conclusión es que hay que conseguir una calidad aceptable al mínimo costo posible. !25 Cuanto más fuerte y denso el pellet es producido, menor es el daño derivado durante el transporte, y más calorías se consiguen en una cámara de combustión. El pellet debe de tener una superficie suave y sin roturas. Si el pellet tiene roturas y grietas significa que la humedad con la cual ha sido producido es demasiado alta o una compresión demasiado pobre, con ello la humedad debe ser reducida hasta un nivel óptimo y si fuera el caso de una pobre compresión, cambiar la plantilla para obtener una mayor compresión. Una vez que el pellet esté frío, debe mantener su superficie brillante y suave. El brillo del pellet es una cuestión aleatoria, ya que cada materia prima peletizada tiene su propio brillo, ser mate, opaco, etc. Con lo cual podemos afirmar que unos pellets brillan más que otros dependiendo del material inicial y no quiere decir necesariamente que la calidad es inferior. La cuestión importante es que el pellet sea compacto con una densidad aceptable. Una comprobación muy sencilla para ver si el pellet tiene una densidad adecuada, es tirar un pellet dentro de un vaso de agua y si se hunde, la densidad y compresión es buena y si flota es que la compresión es baja, conllevando a un poder calorífico menor, traducidos en un pellet de menor calidad. Un pellet de baja calidad se romperá con mayor facilidad tanto en el transporte como en el uso en un tornillo sinfín creando en la mayoría de los casos un exceso de residuos, y cuanto más residuos, obtendremos menos eficiencia, más humos y menos calor. 3.3.6 Contenido de humedad en el pellet terminado Cuanto menos humedad tenga un gránulo de pellet al final de su proceso de fabricación, más energía poseerá en su interior. Sin embargo, se necesita un determinado porcentaje de agua para el proceso del peletizado, por lo que hay que peletizar con el menor grado de humedad posible para crear un pellet de calidad. El contenido de un pellet enfriado y seco debe de ser inferior a un 10%, siendo poseedor de una densidad óptima, pero no debemos de olvidar que todo esto hay que realizarlo al menor costo y la mejor eficiencia posible. 3.3.7 Ser proveedor de pellet Un cliente, antes de adquirir una estufa de pellets o caldera, siempre debe de asegurarse que dispone de un proveedor de pellets cercano. Lo ideal, es que aparte de proveer pellets, pueda también proveer de este tipo de máquinas, sean estufas de pellets o calderas de pellets. Una producción exitosa es aquella que nunca le falte la materia prima. La elección de su materia prima es muy importante por las siguientes razones: 1. Cada material tiene diferentes valores de poder caloríficos, residuos, cenizas y cualidades corrosivas únicas. 2. Cada material es preparado de forma diferente para su transformación en pellets de calidad, teniendo en cuenta la humedad, tamaño de la partícula, tipo de biomasa,etc. Sabiendo de las diferentes clases de materia prima que disponemos de antemano, buscar la mezcla más óptima para que el pellet fabricado no varíe mucho de un año a otro, ya que un cliente contento, le volverá a comprar al año siguiente. !26 3. La densidad de la materia prima inicial es muy importante para la cantidad de producción de combustible. 4. Cualquier materia prima viva o muerta que se pueda utilizar para fabricar pellets, se le denomina Biomasa. Esto incluye cualquier resto de desecho de la madera como podas, aserrines, limpieza de campos, hierba, paja, hojas, las propias cortezas incluyendo también por ejemplo restos orgánicos de animales como pueden ser los purines previamente deshidratados, cáscara de almendra, hueso de aceituna, etc. Estas materias primas deberán estar previamente trituradas y secadas para tener un contenido de humedad óptimo entre 10% y 15% como ya se ha mencionado antes. 3.3.8 El proceso de peletizado paso a paso Para la descripción del proceso de peletizado se ha tomado como referencia la experiencia de la empresa española Chimeneas Costa, la cual pretende enseñarnos de forma general el proceso de la creación de un pellet de calidad paso por paso nombrando la maquinaria necesaria en cada etapa y los principios básicos fundamentales, entre otros puntos . 6 3.3.8.1 Los procesos básicos 1. Reducción y adaptación del tamaño inicial de la materia prima: Trituradoras de rodillo, trituradoras de martillo, trituradoras mixtas, etc. 2. Transporte del material a diferentes máquinas: Ventiladores, ciclones, transportadores de cinta, transportadores de tornillo, cubos elevadores, separadores. 3. Secadoras: Secadoras de tambor, secadoras por conductos de aire. 4. Mezcladores: Mezcladoras de rodillo simple o de múltiples rodillos. 5. Acondicionado: Acondicionado con agua y vapor, aditivos para agilizar la producción, aditivos ligantes. 6. Producción de pellet: Peletizadoras de plantilla plana y peletizadoras anulares con plantilla de anillo. 7. Cribado y seleccionado: para la eliminación de partículas pequeñas y el polvo. 8. Enfriado: Enfriadoras de cinta, enfriadoras con aire. 9. Empacado y almacenado: Bolsas de 15 kgs, big bags 500 – 1000 kg, silos, etc http://www.chimeneascosta.es6 !27 http://www.chimeneascosta.es 3.3.8.2 Los principios de la producción Explicaremos los procesos por pasos definiendo los principios básicos que influyen en cada proceso y las variables que pueden influir también en la calidad y en una producción eficiente. Tenemos que añadir que para producir pellets de calidad de forma constante con el mínimo consumo posible de energía se necesita mucha experiencia personal. 3.3.8.3 Requisitos de potencia La producción de pellet es un proceso que requiere de mucha demanda de potencia eléctrica. Las trituradoras y las peletizadoras son la maquinaria que más demanda tiene de energía, lo que significa que necesitarán de una conexión eléctrica trifásica a 480 V, que -como sabemos- dicha instalación eléctrica nueva pueden llegar a ser muy costosa. Antes de adquirir los equipos, es necesario informarse de la existencia o la posibilidad de tener dicha instalación eléctrica en su lugar de instalación y trabajo. Hay casos en que es posible instalar un convertidor para poder funcionar con la maquinaria de forma monofásica, pero esta solución tiene sus limitaciones, como por ejemplo, los motores no funcionarían a toda la potencia del que normalmente dispondrían con tres fases, lo cual podría llegar a ser un problema de consumo – producción – eficiencia. 3.3.8.4 Ubicación de la planta de producción La ubicación ideal de una planta de producción es estar lo más cercano posible de la materia prima para ahorrar en costos de transporte, hecho que lógicamente no siempre es posible porque la planta deberá estar ubicada en un lugar donde se tenga acceso a la electricidad trifásica. También es muy importante considerar el acceso ya que la materia prima muy seguramente será transportada en camiones. 3.3.8.5 El proceso de producción En las siguientes páginas se desglosan los distintos pasos en la producción de un pellet de calidad. 3.3.8.6 Reducción de la materia prima Aunque la materia prima inicial sea hierba, madera, paja o cualquier otro tipo de biomasa, ha de ser reducido a un tamaño lo suficientemente uniforme y pequeño para poder ser utilizado en la máquina peletizadora. La norma general es que el tamaño de la partícula ha de ser menor que los orificios de la plantilla existente en la peletizadora. Tomemos por ejemplo que para la producción de !28 pellets de 6 mm el material triturado debe de tener un formato menor a 6 mm y para ello existen diversas trituradoras de leña y cada una de ellas tiene distintas finalidades y potencias. 3.3.8.6.1 Astilladoras mixtas Material inicial: troncos. Las astilladoras son adecuadas para reducir el tamaño de los troncos al estado de astillas cuando la materia prima inicial supera generalmente los 4 cm de diámetro. En nuestras plantas de pellet añadimos si es necesario las astilladoras mixtas o las trituradoras de martillo de última generación que reducen el tronco directamente aserrín con el tamaño necesario para ser peletizado, con lo cual se dispone de un ahorro en costes de producción eléctrica, además del ahorro de la compra de una segunda máquina. Hay que tener en cuenta si las trituradoras mixtas realizan un doble trabajo (astillar primero con el disco y reducir a serrín después con los martillos), la producción es inferior a que si disponemos de una máquina específica para cada proceso. El tronco penetra en la máquina y es astillado mediante un disco giratorio con varias cuchillas de corte. Estas astillas pasan a la cámara de martilleado y triturado final que reduce a aserrín el material. Existe una malla en el interior de la máquina que filtra el tamaño de las partículas; deja pasar al exterior los tamaños más pequeños y el material de mayor tamaño continúa en el interior de la cámara de martilleado triturándose hasta ser reducido lo suficiente para pasar a través de la mencionada malla al exterior con el tamaño correcto. ! Imagen 13. Esta es la vista interna de la trituradora mixta de la malla que define el diámetro y textura final del material triturado. Fuente: http://www.chimeneascosta.es !29 http://www.chimeneascosta.es 3.3.8.6.2 Trituradoras de martillo Materia prima inicial: Astillas, paja, hierbas, cañas y materiales generalmente blandas de reducidos diámetros. Si el tamaño de la materia prima es pequeña, de consistencia blanda y quebradiza, el material puede pasar directamente a una trituradora de martillo para reducir a una partícula suficientemente diminuta y adecuada para la peletizadora cuyo precio es más accesible que el de una astilladora – trituradora mixta de última generación que posea ambas funciones. Las trituradoras de martillo, sean eléctricas o con motor diésel, sólo llevan incorporadas la cámara de martillado y la misma malla anteriormente descrita reduciendo la materia de entrada a una partícula de tamaño conveniente para su posterior peletizado. El tamaño de la partícula final dependerá del tamaño de los orificios de la malla interna. Cuanto más grande la trituradora de martillo, más grandes y de mayor resistencia pueden ser los materiales en ella introducidas. Las revoluciones de una trituradora de martillo son mayores que las revoluciones de una trituradora combinada. Los orificios de la malla cuanto más grandes, más producción. El combustible en forma de pellet utilizado -por ejemplo en calderas industriales, entre otros usos- pueden ser perfectamente ser entre 10 y 12 mm, con lo cual la malla debería ser unos milímetros inferior al tamaño del pellet final que buscamos, por ejemplo entre 8 y 10 mm. Con todo esto queremos también añadir, que la producción de aserrín es mayor con una trituradora de martillo por las revoluciones y tenemos también al mismo tiempo un menor consumo eléctrico que una trituradora combinada, que son más lentas, primero por el doble trabajo que han de realizar que requiere más potencia y el hecho de tener que astillar primero los troncos lo convierte en una máquina más lenta, aunque de igual resultados finales que con una trituradora de martillo. He aquí un ejemplo de un modelo de trituradora de martillo. En su interior se sitúan las mismas mallas con orificios que hemos visto anteriormente en las trituradoras mixtas. La diferencia es notoria cuando vemos, que en un lateral, dispone de un ventilador de succión que extrae todo el material del interior para llevarlo a un ciclón o a un depósito, silo, etc. La trituradora mixta FCS600 por ejemplo, es una máquina capaz de producir tanto astillas como aserrín. Desde fábrica esta trituradora ya viene configurada para producir aserrín. Sólo hay que retirar las mallas de su interior si se desea que produzca solamente astillas a partir de troncos de pequeños diámetros. Si un cliente adquiere una de estas máquinas no se recomienda quitar y poner las mallas constantemente, ya que tampoco está diseñada para tal fin. Es preferible astillar durante varios días o semanas si se requieren astillas y viceversa, es preferible reducir a aserrín los troncos durante un tiempo largo ya que se pierde mucho tiempo quitando y poniendo la malla. ! Imagen 14. Trituradora Fuente: http://www.chimeneascosta.es !30 http://www.chimeneascosta.es http://www.chimeneascosta.es ! Imagen 15. Trituradora de martillo Fuente: http://www.chimeneascosta.es 3.3.8.7 Tamaño de la partícula y el efecto sobre la calidad final del pellet La regla general como ya hemos mencionado es reducir la materia prima inicial a un tamaño de partícula inferior al diámetro final del pellet que vamos a producir. Las razones son para evitar daños a los componentes de la peletizadora como rodillos y plantilla, a su vez reduciendo las posibilidades de bloquear los orificios de la extrusora, con lo cual una partícula más pequeña es estrictamente necesaria para una continua y segura producción de pellet de buena calidad, aunque también influyen elementos como el acondicionado y la temperatura de entrada del material. El aserrín en polvo, al menos basándonos en nuestra experiencia, es mucho más difícil de peletizar necesitando en algunos casos incluso de una plantilla específica. Podemos concluir que la partícula final depende de la máquina que se posea en función de su materia prima inicial, sean troncos, astillas o ambas, pero no podemos olvidar que existen limitaciones y consideraciones lógicas respecto al balance entre producir el tamaño de partícula más eficiente manteniendo el consumo energético al mínimo posible que evidentemente influyen en los costos de producción. Todo esto depende también del tipo de material que vayamos a utilizar en función del uso final al que estarán destinados los pellets, si el uso es doméstico ó industrial. Producir un pellet de mayor diámetro se traduce en un aumento en la producción, en un desgaste menor de la maquinaria con un consumo eléctrico igual ó inferior a producir pellet de diámetro más pequeño. 3.3.8.8 Transporte de material de una máquina a otra Una vez que hayamos concluido el proceso de reducir el tamaño del material hasta cubrir nuestras necesidades, las partículas trituradas ó el aserrín han de transportarse hasta el siguiente proceso que puede ser secado, mezclado, acondicionado ó simplemente !31 directo a la peletizadora. Para recoger el material disponemos de varios métodos como por ejemplo con un ciclón separador, tornillos sinfín, cintas transportadoras ó cubos elevadores. 3.3.8.9 Ciclón separador Una vez que el material haya sido pulverizado con una trituradora de martillo y haya pasado a través de su malla, un ventilador mecánico accionado por el mismo motor de la trituradora aspira el material soplándolo hacia el ciclón. La función de un ciclón es separar el aire del material triturado que expulsa por la parte superior del mecanismo a través de una salida, la materia prima es introducida hacia las paredes del cono que cae a la parte inferior por gravedad saliendo al exterior para ser recogido por el siguiente transportador. En la imagen podemos ver el sencillo funcionamiento de un ciclón representada la materia prima entrante como flechas rojas y como el aserrín es más pesado que el aire cae por su propio peso hacia el fondo del ciclón y el aire es expulsado por el orificio de la parte superior. El resultado es sencillamente la separación del aire de la materia. ! Imagen 16. Ciclón Fuente: http://www.chimeneascosta.es Las plantas configuradas con una trituradora combinada, al carecer de ventilador mecánico de aspiración y expulsión, tampoco se le añade el ciclón ya que no tendría ningún papel útil en el proceso, pero es evidente que necesitaremos un depósito, silo o algún sitio donde poder descargar el serrín producido. 3.3.8.10 Tornillo sin fin ó transportadores de cinta Sirven para transportar la materia prima de un proceso al siguiente En el proceso del transporte del material triturado de una máquina a otra, los transportadores de tornillo son los más populares por el poco espacio que utilizan, un relativo bajo peso y disponen de motores de velocidad fija o variables para adaptar el transporte a la !32 producción de la peletizadora. Es una solución ideal de bajo costo para el transporte de un proceso a otro. Siempre son más aconsejable los tornillos sinfín de velocidad variable para adaptarse a la producción del momento o incluso si se ampliara más adelante la producción de la planta, por ejemplo añadiendo una nueva peletizadora ó una potente secadora, siempre lo podremos seguir utilizando sin tener que comprar nuevos motores más rápidos para adaptarnos a la nueva producción. En la entrada del tornillo transportador, normalmente nos encontramos con un cubo de entrada, que siempre debemos estar seguro que su anchura y tamaño es la adecuada a la materia prima que transportaremos ya que si no lo es, podemos encontrarnos con que en dicho cubo, pueda formarse una cueva interna que no es notorio a simple vista pero dicha cueva hará que el material deje de caer en el tornillo, con lo cual tampoco estaremos alimentando la peletizadora adecuadamente, por eso recomendamos probar antes el tornillo sinfín con nuestro material que utilizaremos para producir el pellet y comprobar hasta donde es capaz de admitir material sin producirse una cueva. Una alternativa para evitar la cueva es añadir un vibrador a la entrada del tornillo sinfín. ! Imagen 17. Tornillo sin fin Fuente: http://www.chimeneascosta.es ! Imagen 18. Orificio de salida del tornillo sin fin Fuente: http://www.chimeneascosta.es !33 http://www.chimeneascosta.es 3.3.8.11 Soluciones para el secado Para producir pellets de alta calidad la humedad de la materia prima utilizada debe de ser siempre hablando en términos generales entre el 10 y 20%. Casi todos los pellets de alta calidad que se produce en el mundo con materiales conocidos que tienen un porcentaje de humedad entre el 10 y el 15% pero no quiere decir que el material que particularmente usted tiene deba de tener dicha humedad. Como ya comentamos anteriormente, el mejor productor es aquel que experimenta antes con el material del cual dispone para sacarle el mayor rendimiento a su maquinaria, producto y adquirir conocimiento. Por regla general la materia prima que contenga una humedad superior al 20% debe de ser secada o mezclada con un material más seco para reducirla. 3.3.8.11.1 Reducir la humedad utilizando el sol El secado es un proceso muy costoso en utilización de energía con lo cual la conclusión es, que el material perfecto es aquel que no requiere de secado. Desde luego que existen materiales como la paja, la hierba seca o poda que se ha secado en pleno campo por una temporada anterior que pueden ser recolectados directamente con una humedad ideal directa para el peletizado, pero por ejemplo el resultado de una poda reciente, o material verde puede llegar a tener hasta un 60% de humedad lo que el proceso de secado se convierte en algo necesario y no es una opción. Casi siempre la opción del secado por el sol se infravalora y no se suele tener en cuenta lo cual creemos que es un gran error puesto que el sol es una energía gratuita. Es cierto que un proceso de secado por el sol lleva mucho más tiempo pero existen diseños de secadores solares que reducen éste tiempo tan incómodo. También hay que tener en cuenta, que un tronco lleva mucho más tiempo de secado por el sol, que si éste lo redujéramos primero a astillas o aserrín, pero el serrín es más incómodo de manejar y al ser más denso, no permite una circulación de aire satisfactoria así que la mejor opción para un secado al sol, sea al aire libre o sea dentro de un secador, es tenerlo en formato astillado. Una vez que las astillas tengan la humedad ideal para el peletizado, es cuando debemos reducir su tamaño a serrín. La velocidad de secado al sol se reduce a medida que se reduce el porcentaje de humedad, con lo cual es más rápido reducir desde un 30% a un 20% al sol que de un 20% a un 10%, que se tarda más tiempo. Por eso, por el tiempo que se toma en reducir ésta humedad de la última etapa podemos utilizar una secadora a combustible, sea madera, gasoil, pellets, gas, etc, para reducir de un 20 a un 10% ó inferior, pero evidentemente, reducir al sol el máximo posible de humedad reduciremos costos en combustible. 3.3.8.11.2 Secado solar a gran escala La idea de un secado utilizando como fuente de calor el sol es aparentemente una idea para productores a pequeña escala pero están apareciendo en el mercado compañías que están produciendo facilidades de secado con productos y aplicaciones destinados a grandes !34 escalas de producción. Existen sistemas que utilizan placas solares para recoger la energía solar sobre un tejado y utiliza dicha energía para recircular aire caliente dentro de un silo, nave, etc. Secadoras de combustible sólido y aire Si un secado mediante el sol no fuera suficiente, se puede realizar con secadoras por un sistema de tuberías para reducir la humedad, consistente en una estufa o aparato eléctrico productor de calor en un extremo, una serie de tubos curvados para obtener determinada longitud en el menor espacio posible, un ventilador que a la vez que succiona la materia prima a través de éstas tuberías, succiona el calor producido por ésta estufa y sopla el resultado seco a través de un ciclón en el siguiente transportador, ó silo. ! Imagen 19. Secador por sistema de tuberías Fuente: http://www.chimeneascosta.es 3.3.8.11.3 Secadoras rotativas de leña y aire caliente: Para grandes necesidades de secado se utilizan de forma más común las secadoras rotativas. El material es introducido a través de un transportador. El aire caliente se produce en un extremo del tubo rotatorio (una estufa de leña, pellets, gas ) y en el otro extremo, un ventilador succiona éste calor y las partículas más pequeñas atraviesan el tambor a medida que éste gira con lentitud. Las partículas más grandes al ser más pesadas por su humedad permanecen por más tiempo girando en el tambor hasta que también son succionadas hasta un ciclón separador. El tambor está montado con una pequeña inclinación para facilitar el transporte del material hacia el ventilador succionador. El aire caliente al pasar entre todas las partículas produce un secado más efectivo !35 ! Imagen 20. Secadora rotativa Fuente: http://www.chimeneascosta.es 3.3.8.11.4 Fuentes de calor: Algunas secadoras utilizan como fuentes de calor quemadores de gasoil o gas pero evidentemente en un mercado como el actual, que cada vez se dirige más hacia las energías renovables no es conveniente y tiene un costo más alto. Por eso la forma más económica de tener calor es usar parte de la producción de pellets o parte de materia prima. 3.3.8.12 Acondicionado: Para producir pellets de calidad la materia prima debe de tener ciertas cualidades. Una peletizadora es muy similar a una ecuación matemática o un plato de cocina, queremos decir, que el pellet que saldrá de una peletizadora, será tan bueno como la materia prima que ha entrado en ella. Una peletizadora es básicamente una cocina, que aplica presión y calor a la materia prima, pero generalmente la gente no sabe ni concibe lo delicado que es el proceso y funcionamiento de una de una peletizadora. Una vez que hayamos mezclado nuestra materia prima para obtener una buena consistencia, posiblemente nuestra receta necesite de otros elementos para producir pellets de calidad. Existen aditivos que incrementan la producción de la peletizadora. Para entender bien el proceso del acondicionado, hay que entender primero cuales son las cualidades que tiene la materia prima para producir pellet. La humedad es una de dichas cualidades pero también están las cualidades de la temperatura y el ligado del material. 3.3.8.12.1 Porcentaje de humedad: Para producir pellets existe un mínimo de tolerancia a la humedad y un máximo. Cada tolerancia es específica a la materia prima que estamos utilizando, queremos decir que cada materia, tipos de madera o mezclas que realicemos soportan ó funcionan mejor con un !36 determinado grado de humedad. En ésta cuestión no existen fórmulas matemáticas mágicas válidas para todas las maderas. También influye el tipo de peletizadora que vamos a utilizar pero podemos decir que existe un porcentaje medio que funciona con casi todo y es entre el 10% y el 15% de humedad, pero como ya comentamos, esto no es así en todos los casos, y debemos tomarlo como una norma general. 3.3.8.12.2 Cualidades del ligado: El ligado es el pegamento que mantiene unido el pellet y le da el aspecto brillante y suave. Muchas materias primas, es decir, muchas maderas disponen de éste pegamento de forma natural llamado lignina y disponen de ella de forma suficiente como para ligar el material con el calor de la peletizadora en el momento de comprimirse. Si la madera que estamos utilizando no dispone de suficiente cantidad de lignina en su estado natural, siempre podemos utilizar un aditivo, y el aditivo más sencillo y natural es simplemente aceite vegetal, pero debemos añadir a esto, que un pellet formado con sólo aceite vegetal como un agente ligante tendrá una menor densidad que otros pellets puesto que el aceite también actúa como un lubricante con lo cual la materia prima pasará más rápidamente a través de la plantilla reduciendo su compresión. 3.3.8.12.3 Densidad del material: El pellet se forma por calor y compresión proporcionándole la densidad adecuada y esto lo dictamina la plantilla de la peletizadora. La densidad del material evidentemente es una gran influencia sobre un pellet de calidad. Las materias primas con una alta densidad natural como las maderas duras requieren más temperatura y presión para formar el pellet pero actúa en detrimento a la cantidad de pellet producido por hora. Por otro lado los materiales con una baja densidad natural como las cascaras de grano, la paja, cañas, etc. pueden aumentar de forma considerable la productividad de la peletizadora pero podemos obtener un pellet poco denso y quebradizo. Algunos materiales con baja densidad y con poca lignina natural pueden ser un problema a la hora de peletizar puesto que pueden ahogar la plantilla y atascarla puesto que la peletizadora no llega a crear la suficiente temperatura para comprimirlos adecuadamente. 3.3.8.12.4 Acondicionado con vapor e incrementar nuestra producción: Tal como hemos descrito en las cualidades del ligado, la madera suele contener la suficiente lignina natural que actúa como un solo ligante sin necesidad de aditivos. La lignina natural de las maderas, con el calor y la presión de la peletizadora, se derrite y es el momento donde se forma realmente el pellet y una vez que el pellet se ha enfriado, se endurece ésta lignina constituyendo un pegamento natural para un pellet fuerte y con alta durabilidad en el tiempo. La lignina también es el elemento que proporciona brillo y suavidad a su superficie. Para ayudar en todo el proceso del prensado del pellet, podemos incrementar la productividad añadiendo un acondicionador de !37 vapor, donde la materia prima inicial es expuesta antes de entrar a la cámara de compresión de la peletizadora, digamos, a un baño de vapor. El vapor sólo añade una pequeña cantidad de humedad a la materia prima, y se usa principalmente para precalentar el aserrín, con el objetivo de ayudar a la lignina a ablandarse antes de entrar a la cámara de compresión. Tras el acondicionado a vapor, la materia prima penetra en la cámara de la peletizadora con la lignina más blanda, y se formarán pellets de mayor calidad y brillo, además de incrementarse la producción puesto que la materia prima ofrecerá menor resistencia a la compresión, precisamente por este estado de pre- ablandado ó precalentado. Los acondicionadores de vapor realmente sólo suelen utilizarse en producciones de pellets a gran escala puesto que el acondicionado a vapor añade costes de producción como puede ser alimentar una caldera, agua, etc, y también costes de seguridad si hiciera falta pero insistimos que sí producir pellets utilizando la opción de un acondicionador de vapor le resulta viable, recomendamos su utilización ya que no solamente incrementa la producción sino que también alarga la vida de los consumibles más caros como pueden ser los rodillos y la plantilla. El acondicionado a vapor es una de las maneras de incrementar nuestra producción de pellets. Otra manera es utilizar materiales oleaginosos de baja densidad que pueden ayudar a su materia prima a reducir su resistencia a través de la plantilla de su peletizadora, a la vez que las propiedades oleaginosas de dicho material actúan como un ligador secundario produciendo fuertes y brillantes pellets. Con tan sólo añadir un pequeño porcentaje de nuestro producto oleaginoso de baja densidad a nuestra materia prima original podríamos incrementar nuestra producción hasta en un 30%. ! Imagen 21. Acondicionador – mezclador de una planta de pellets que incorporan dos peletizadoras de plantilla plana F550 Fuente: http://www.chimeneascosta.es 3.3.8.13 Tolerancias de nuestra peletizadora Si añadimos materiales oleaginosos a nuestra materia prima inicial podemos aumentar las tolerancias de nuestra peletizadora con respecto al control de la humedad. El añadido de materiales aceitosos puede reducir en gran medida el riesgo de atasco en la plantilla !38 reduciendo la probabilidad de que nuestro pellet tenga una baja calidad. El acondicionado es una opción que en las producciones de pellet a pequeña escala está totalmente ignorada y no se contempla por los altos costos de una caldera de vapor, pero está sobradamente probados los beneficios que nos proporciona un buen acondicionado a nuestro producto final, pero además juega un gran papel en la reducción de la energía que utilizamos, con esto aumentmos nuestra producción, mejoramos nuestro producto y ahorramos costos en consumo energético y desgaste de nuestra maquinaria. 3.3.8.14 Producción del pellet Existen dos tipos principales de peletizadoras, las peletizadoras de plantilla plana y las peletizadoras anulares. En primer lugar aparecieron las peletizadoras de plantilla plana y más adelante aparecieron la maquinaria con plantillas anulares, es decir, con forma de un anillo rodeado de agujeros. La plantilla plana en principio se utiliza para producciones pequeñas y medianas pero hoy en día existen tantas maquinarias de plantilla plana como cantidades de producción deseadas. Las peletizadoras de plantilla anular son la maquinaria preferida para los productores de miles de kilos por hora precisamente por los costos que con lleva producir una peletizadora pequeña anular que no compensan para producciones pequeñas. Fuente: http://www.chimeneascosta.es 3.3.8.14.1 Peletizadoras de plantilla plana Las peletizadoras de plantilla plana funcionan por un principio muy básico que es que la materia prima cae por gravedad sobre los rodillos que rotan en el interior de la peletizadora sobre la plantilla. La materia prima es comprimida entre los rodillos y la plantilla, el sistema básicamente es el mismo principio del molino piedra para producir aceite de oliva en las antiguas almazaras. La materia prima es comprimida pasando por una serie de orificios alargados en la plantilla llamado extrusión y a la salida son cortados por una cuchilla, que depende del uso que se le vaya a dar, las cuchillas son reguladas en altura para darle un tamaño u otro. Unos funcionan con fajas y una polea, otros con transmisiones a una caja de cambios y otras una mezcla de ambas. Se utilizan dos tipos de sistema de peletizado: 1 - La plantilla rueda y los rodillos ruedan estáticamente sobre ella sin cambiar de posición. Imagen 22. Plantilla anular Imagen 23. Plantilla plana ! ! !39 2 - La plantilla es fija y los rodillos dan vueltas. Este segundo sistema disminuye los posibles atascos además de servir mejor para el procesado de maderas. 3.3.8.14.1.1 Ventajas de las peletizadoras con plantilla plana: Las peletizadoras de plantilla plana son cada vez más comunes y requeridas, especialmente en escalas pequeñas de producción. Existen muchos comerciantes que comercializan éste tipo de producto en el mercado que las venden para el procesado de materiales de baja densidad y comida para animales, fertilizantes etc. 3.3.8.14.1.2 Desventajas de las peletizadoras de plantilla plana Debido a los principios con los que funcionan éste tipo de peletizadoras, las cargas de trabajo sobre los rodamientos y ejes son desiguales ya que los orificios, al estar situadas de forma concéntrica sobre un circulo plano, la carga de presión no son las mismas en la parte interna de la plantilla que en la parte externa por lo que se desplazan también estas diferencias de carga sobre rodamientos y ejes. Por ésta razón son más recomendables las peletizadoras de plantilla fija que por defecto vienen de fábrica ejes el doble de anchos soportando mejor éstas presiones que las peletizadoras de plantilla móvil, que es mejor utilizarlas sólo para fertilizantes y similares. Para un uso industrial recomendamos las peletizadoras de plantilla fija sea para el material que sea. Imagen 24. Comparativa peletizadoras Fuente: http://www.chimeneascosta.es 3.3.8.14.2 Peletizadoras anulares: Las peletizadoras anulares o comúnmente llamados de anillo están compuestos por un anillo móvil situado de forma vertical con unos rodillos internos fijos que aplican la presión contra las paredes internas del dicho anillo que es donde están situados los orificios. El material es alimentado a través de un acondicionador sobre la máquina. La materia prima entra en el frontal del aparato hacia el centro del ! ! !40 anillo a través de un tornillo sinfín. El interior del sistema es similar a una lavadora. Una vez el material es oprimido en contra de las paredes del anillo giratorio, los pellets surgen por la parte exterior de la plantilla a través de los orificios. 3.3.8.14.2.1 Ventajas de las peletizadoras anulares: En primer lugar las peletizadoras anulares no sufren de forma desigual la carga de la compresión porque no existe un margen interior ni ningún margen exterior como las plantillas planas ya que el rodillo comprime ejerciendo siempre la misma presión por toda la superficie de igual manera. Por ésta razón las peletizadoras anulares son preferidas en fábricas de grandes producciones por hora, aunque el precio de los consumibles sean mucho más altos que las peletizadoras de plantilla plana. También se prefieren más en las grandes producciones porque son eléctricamente más eficientes por las cantidades que produce cada máquina por que los rodillos y plantilla sufren menos desgaste ya que al usar toda la superficie útil de la misma manera, no existe el deslizamiento que hay en las peletizadoras de plantilla plana que hace que la máquina consuma más electricidad. Por otro lado, las peletizadoras anulares son mucho más difíciles de controlar para obtener un resultado óptimo en todo momento. Imagen 25. Sistema de peletizado con plantilla anular. Fuente: http://www.chimeneascosta.es ! !41 http://www.chimeneascosta.es 4. Metodología utilizada 4.1 Métodos de Investigación El desarrollo de la tesis conllevó plantearse como se iban a abordar los diferentes objetivos establecidos, siendo los principales los materiales a investigar tanto para la producción de pellets como la demanda de carbón