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Estimaci�n de la generaci�n de energ�a cal�rica a partir del bagazo de ca�a de az�car mediante simulaci�n

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Estimation of the caloric energy generation from the sugar cane bagazo by simulation

 

�Estimativa da gera��o de energia t�rmica a partir do baga�o da cana-de-a��car por simula��o

 

Jandry Antonio Barreiro-Cobe�a ^I

jbarreiro4399@gmail.com

https://orcid.org/0000-0002-2694-2632

 

Heidy Lissette Murillo-Zambrano ^II

hmurillo6652@utm.edu.ec

https://orcid.org/0000-0001-6484-7794

 

 

Correspondencia: jbarreiro4399@gmail.com

 

Ciencias naturales

�������������������������������������������������������������� Art�culo de revisi�n���������������������

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*Recibido: 15 de diciembre de 2020 *Aceptado: 30 de diciembre de 2020 * Publicado: 09 de enero de 2021

 

 

        I.            Egresado de la Carrera de Ingenier�a Qu�mica, Universidad T�cnica de Manab�, Portoviejo, Manab�, Ecuador.

     II.            Egresado de la Carrera de Ingenier�a Qu�mica, Universidad T�cnica de Manab�, Portoviejo, Manab�, Ecuador.

Resumen

Se estim� la cantidad de energ�a y vapor producidos a partir del bagazo de ca�a de az�car, mediante un proceso de simulaci�n, para lo cual se emple� el programa SuperPro Designer en 2 diferentes casos, uno en el cual se hizo uso de un bagazo seco y uno con un bagazo h�medo,� en el cual se observ� claramente que el bagazo seco tiende a producir un mayor flujo de vapor de agua en la caldera a condiciones espec�ficas de aire en exceso y humedad en el aire, obteniendo como mayor valor el de 34,47196 kg/h de vapor.

Palabras claves: Bagazo; simulaci�n; vapor.

 

Abstract

The amount of energy and steam produced from the sugarcane bagasse was estimated, through a simulation process, for which the SuperPro Designer program was used in 2 different cases, one in which a dry bagasse was used and one with a wet bagasse, in which it was clearly observed that dried bagasse tends to produce a greater flow of water vapor in the boiler at specific conditions of excess air and humidity in the air, obtaining the highest value of 34, 47196 kg / h of steam.

Keywords: Bagasse; simulation; steam.

 

Resumo

A quantidade de energia e vapor produzidos a partir do baga�o da cana foi estimada por meio de um processo de simula��o, para o qual o programa SuperPro Designer foi utilizado em 2 casos distintos, um em que um baga�o seco e outro com um baga�o �mido, nos quais foi claramente observado esse baga�o seco tende a produzir um maior fluxo de vapor d'�gua na caldeira em condi��es espec�ficas de excesso de ar e umidade no ar, obtendo o maior valor de 34.47.196 kg / h de vapor.

Palavras-chave: Bagasse; simula��o; vapor.

 

 

 

Introducci�n

La industria del az�car produce una cantidad alarmante de residuos, de los cuales se puede encontrar como principal, el bagazo de la ca�a (Nguyen, Hermansen, & Sagisaka, 2009). La producci�n de ca�a de az�car en el Ecuador es realizada por 6 ingenios azucareros: EQ2 (conocido como la Troncal), San Carlos, Valdez, Isabel Mar�a, IANCEM y Monterrey, siendo los tres primeros quienes representan el 90 % de la producci�n nacional, cuya zafra se inicia en el mes de julio y termina en diciembre.

Hay 78.000 hect�reas sembradas de ca�a de az�car y la provincia del Guayas posee el 72% de la producci�n (Morales & Ramires, 2003). Para el 2016 se produjeron m�s de 8 millones de toneladas m�tricas de ca�a de az�car (CFN - Subgerencia de An�lisis e Informaci�n, 2017); de cada tonelada de ca�a de az�car se producen 250 kg de bagazo (Campos, 2011). El bagazo es un material que puede ser aprovechado tanto para la producci�n de energ�a (cal�rica) como para la producci�n de combustibles l�quidos y s�lidos (Manyuchi, Mbohwa, & Muzenda, 2019). Una alternativa para reducir los residuos de la ca�a de az�car es aprovechar el bagazo como fuente renovable de energ�a limpia, debido a que, las emisiones de CO2 generadas por �ste no se consideran como un incremento en la concentraci�n de gases efecto invernadero en la atm�sfera, esto se lo puede apreciar en el Programa de Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) del estado de Morelos (M�xico) (Flores, Mu�oz-Ledo, Flores, & Cano, 2008) el cual estim� la cantidad de energ�a aprovechada del bagazo, que puede ser utilizada para otras etapas del proceso.

Una soluci�n viable para el manejo del bagazo como residuo es el uso del mismo en la generaci�n de energ�a, por lo cual, es factible estudiar c�mo se comportar�a en la producci�n de calor para un sistema de calderas, calor que se emplear�a en otras etapas del proceso de obtenci�n del az�car. Es por este motivo que se realizara una estimaci�n de la generaci�n de energ�a a partir del bagazo de ca�a de az�car mediante una modelaci�n y simulaci�n.

 

 

 

 

Materiales y m�todos

Descripci�n del procesamiento de la ca�a de az�car

Una vez cosechada la ca�a de az�car, esta se descarga en las mesas alimentadoras y se conduce hacia cuchillas rotatorias que se encargan de cortar los tallos para disminuir su tama�o y desfibradoras que desmenuzan la ca�a. En la etapa de molienda se extrae el jugo de la ca�a a trav�s de un t�ndem de molinos de 4 mazas, en el cuarto molino se a�ade agua a alta temperatura (70�C) y en los molidos tres y dos agua m�s jugo para obtener la m�xima cantidad de sacarosa en un proceso llamado maceraci�n (Dominguez Manjarrez , Bravo �lvarez, & Sosa Echeverr�a, 2014)

La ca�a se somete a compresi�n en los rodillos o mazas del molino, lo cual propicia la salida del contenido del l�quido de los tallos. Se consideran satisfactorias aquellas extracciones, entre 58 a 63%; es decir, cuando se obtienen de 580 a 630 kilogramos de jugo por tonelada de ca�a. (Osorio Cadavid, 2007)

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Figura 1:� Diagrama de flujo del proceso de producci�n de az�car est�ndar (Dominguez Manjarrez, Bravo �lvarez, & Sosa Echeverr�a, 2014)

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Los productos finales de esta fase son el �jugo crudo� y el �bagazo�; el primero, es la materia prima que se destina a la producci�n de panela, mientras el segundo se emplea como material combustible para la hornilla despu�s de secado. (Osorio Cadavid, 2007)

 

Bagazo

El bagazo de ca�a se produce como consecuencia de la fabricaci�n de az�car y constituye un subproducto de esta producci�n. Es un combustible natural para producir vapor en las f�bricas azucareras. El bagazo constituye el 40-50% de la ca�a de az�car. (Espinoza Aguilar, 2015). Es un material fibroso, heterog�neo en cuanto a su composici�n granulom�trica y estructural, que presenta relativamente baja densidad y un alto contenido de humedad, en las condiciones en que se obtiene del proceso de molienda de la ca�a. (Espinoza Aguilar, 2015)

Cuando el bagazo sale del molino posee aproximadamente la siguiente composici�n:

�         Humedad (50%)

�         S�lidos solubles (5%)

�         S�lidos insolubles o fibra cruda (45%)

Adem�s de su composici�n qu�mica es la siguiente:

�         Carbono: 47-49%

�         Hidr�geno:5.5-6.5 %

�         Ox�geno:38-44%

�         Cenizas:2.5-3.5%

 

Secadores y Calderas de bagazo

Los secadores de bagazo a�n conservan un gran espacio en la industria azucarera y sus derivados, no solo como medio tradicional de recuperar la energ�a de los gases de escape de las calderas, sino como paso necesario para un procesamiento ulterior del bagazo, por ejemplo: para fabricar briquetas y pellets, para las f�bricas de tableros de part�culas, para evitar el deterioro microbiol�gico, para su gasificaci�n. (Olmo, Casanova Cabeza, Galvez Taupier, Lodos Fernandez, Fernandez Rodriguez, & Abril Gonzalez, 2015)

Las calderas de quemar bagazo sufren de problemas de estabilidad debido a su alto contenido de humedad (50 % o m�s al quemarse). Bajo una gama amplia de condiciones del horno existe el mismo ciclo (acumulaci�n material, secado y combusti�n). Algunas condiciones del horno pueden presentar grandes fluctuaciones en la presi�n del generador, reducci�n en la producci�n de vapor y generalmente un comportamiento inestable. La estabilidad es importante debido a que de tales generadores de vapor depende a menudo el suministro de toda la energ�a del ingenio. (Olmo, Casanova Cabeza, Galvez Taupier, Lodos Fernandez, Fernandez Rodriguez, & Abril Gonzalez, 2015)

 

Beneficios y dificultades del secado del bagazo

El secador como superficie recuperativa en la generaci�n de vapor. Es conocido que las calderas de vapor de la producci�n azucarera en la actualidad muestran en los gases de escape temperaturas superiores que el m�nimo posible, lo que provoca grandes p�rdidas de energ�a o bagazo que es su combustible natural. (Olmo, Casanova Cabeza, Galvez Taupier, Lodos Fernandez, Fernandez Rodriguez, & Abril Gonzalez, 2015)

Al utilizar los gases de escape de las calderas para secar el bagazo, el secador act�a como una superficie recuperativa adicional de la caldera, que si en la actualidad expulsan sus gases a temperaturas muy por encima de lo te�ricamente posible (≈150 a 220� C), perdiendo esa energ�a, los puede expulsar a la salida del Secador entre los 80 y 100� C. Se puede notar la gran diferencia. (Olmo, Casanova Cabeza, Galvez Taupier, Lodos Fernandez, Fernandez Rodriguez, & Abril Gonzalez, 2015)

Mediante la utilizaci�n solo de los llamados economizadores (calentadores de agua de alimentar las calderas) y los calentadores del aire para la combusti�n como superficies recuperativas, resulta econ�micamente imposible lograr valores tan altos de agotamiento de la energ�a de los gases de escape. Esto se debe que los mismos requieren una pared entre los dos fluidos que participa en el intercambio de calor, cuyo tama�o se incrementa en una relaci�n exponencial en dependencia de una cada vez menor temperatura final requerida. (Olmo, Casanova Cabeza, Galvez Taupier, Lodos Fernandez, Fernandez Rodriguez, & Abril Gonzalez, 2015)

 

 

Estimaci�n de la energ�a potencial cal�rica

Para las estimaciones de la energ�a potencial cal�rica que se puede obtener a partir del bagazo de la ca�a de az�car, se parti� de los datos de la composici�n qu�mica reportada por Manals Cuti�o la cual se describe en la tabla N�1 a continuaci�n:

 

Tabla 1: Propiedades qu�micas del bagazo de ca�a (Manals-Cuti�o, Penedo-Medina, & Salas-Tort, 2015)

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As� como tambi�n con el software SuperPro Designer. A partir de estos datos y el empleo del software es posible estimar la cantidad de energ�a cal�rica que se puede obtener del residuo en cuesti�n.

 

Datos para casos de simulaci�n.

Para proceder con las simulaciones se tom� en cuenta 3 factores y 3 niveles, que se estiman puedan variar estoc�sticamente, estaremos

�         Humedad del aire

�         Relaci�n agua en el �ltimo molino /ca�a de az�car en la entrada

�         Aire en exceso

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Tabla 2: Factores y niveles empleados en la simulaci�n

 

Los datos de humedad del aire se obtuvieron mediante el uso de una tabla psicom�trica junto con los datos del Instituto Nacional de Meteorolog�a e Hidrolog�a. (Instituto Nacional de Meteorolog�a e Hidrolog�a, 2017). Se hizo uso de los mismos datos tanto para el proceso de simulaci�n con secado y sin secado.

 

Resultados y an�lisis

A continuaci�n, se detallan los resultados obtenidos de las simulaciones realizadas para el proceso de estimaci�n de energ�a sin secado y con de bagazo. Para la ejecuci�n de las simulaciones fueron empleados datos relativamente aproximados a las condiciones de humedad del aire, mismos que fueron obtenidos del INAMHI (Instituto Nacional de Meteorolog�a e Hidrolog�a).

 

�         Caso 1: Proceso de quema de bagazo h�medo

Con base a los datos obtenidos en este proceso se dio a conocer que la cantidad de flujo de vapor disminuir� con respecto a la cantidad de agua que ingrese en el �ltimo molino, el mayor flujo que se obtuvo fue de 28,27569 kg/h de vapor a 15% de aire en exceso, 0.1Tm de agua/Tm de ca�a de az�car y 15g de agua/kg de aire y el menor fue de 20,52602 kg/h de vapor a 25% de aire en exceso, 0.3Tm de agua/Tm de ca�a y 16g de agua/kg de aire, es decir que cuando se tiene una menor humedad en el aire como en el bagazo, la caldera funciona a un mayor rendimiento.

 

Grafica 2: Vapor generado en un proceso sin secado

 

 

 

�         Caso 2: Quema de bagazo seco

En este proceso, en donde se incluye el secado, se obtuvo un mayor rendimiento de generaci�n de vapor en la caldera, puesto que se registr�, para las condiciones de 15% de aire en exceso, 0,1 Tm de agua/Tm de ca�a y 15 g de agua/kg de aire seco, un valor m�ximo de 34,47196 kg/h y un valor m�nimo de 33,42414 kg/h para las condiciones de 25% de aire en exceso, 0,3 Tm de agua/Tm de ca�a y 16 g de agua/kg de aire seco. Cuando existe el secado dentro del proceso, el rendimiento de la caldera aumenta en 1.23 veces, lo que da a conocer que el secado es una parte esencial para poder trabajar en las mejores condiciones posibles. Olmo y otros en su articulo titulado� �El bagazo de la ca�a de az�car. Propiedades, constituci�n y potencial� exponen que la cantidad de energia producida en un bagazo con menor humedad es mayor que uno que la contenga, de hecho mencionan que el valor calorico es 1,4 veces mejor en un bagazo seco.� (Olmo, y otros, 2015).

 

Grafica 3: Vapor generado en un proceso con secado

 

Las barras de los gr�ficos corresponden a los valores obtenidos para 15, 15,5 y 16 g de agua por kg de aire seco. Seg�n los resultados presentados para el caso 1 se obtuvo una desviaci�n del 2,80988787798715 kg/h de flujo de vapor y para el caso 2 se obtuvo una variaci�n de 0,383009780316311 kg/h de flujo de vapor, es decir, que la propuesta en el caso 2, donde el secado est� presente en el proceso, disminuye la variabilidad del resultado debido a la variaci�n estoc�stica de los factores en estudio. Por lo cual el flujo de vapor de agua ser� m�s homog�neo.

 

Conclusiones

Al final de las simulaciones se comprob� que tanto la energ�a cal�rica como el flujo de vapor, producidos en el uso del bagazo, redujeron cuando exist�a mayor presencia de humedad, es decir cuando se ingresaba mayor cantidad de agua al molino. Adem�s, se comprob� que cuando en el proceso interviene un secado, la cantidad de agua que ingresa al �ltimo molino no interfiere en la cantidad de vapor y calor que puede producir, solo se encontrar� una variaci�n en estos resultados, cuando en la humedad del aire o en cantidad aire en exceso que entre al proceso, se produzca alguna alteraci�n. La humedad del aire puede presentar fluctuaciones respecto a la temperatura y temporada del a�o, esto har�a que la produccion de vapor y calor presenten variaciones.

Los resultados de mayor generacion de vapor y energia calorica se observan� en el proceso donde existe secado y la humedad del aire era menor, ya que al ingresar a la caldera en estas condiciones, el rendimiento de la misma es mucho mayor.

Se estim� con �xito la cantidad de energia y vapor que se puede producir bajo estas condiciones usando al bagazo como material de combustion en la caldera en los dos casos presentados y as� se dio a conocer el potencial que este tiene como combustible s�lido.

 

Agradecimiento

A los desarrolladores del software SuperPro Designer, a los referentes bibliograficos, que gracias a estos se pudo obtener los datos necesarios para el correcto desarrollo de las simulaciones para este art�culo

 

Referencias

1.             Campos, J. (18 de Marzo de 2011). Ca�a dulce, ca�a brava. LISTIN DIARIO.

2.             CFN - Subgerencia de An�lisis e Informaci�n. (2017). CULTIVO DE CA�A DE AZ�CAR - ELABORACI�N Y REFINADO DE AZ�CAR DE CA�A Y MELAZA DE CA�A; REMOLACHA AZUCARERA, ETC. Quito: CORPORACION FINANCIERA NACIONAL.

3.             Dominguez Manjarrez , C. A., Bravo �lvarez, H., & Sosa Echeverr�a, R. (2014). Prevenci�n, minimizaci�n y control de la contaminaci�n ambiental en un ingenio azucarero de M�xico. Ingenier�a Investigaci�n y Tecnolog�a, 549-560.

4.             Espinoza Aguilar, M. S. (2015). Dise�o de Plantas Agroindustriales. Trujillo: Universidad Nacional de Trujillo.

5.             Flores, R., Mu�oz-Ledo, R., Flores, B. B., & Cano, K. I. (2008). Estimaci�n de la generaci�n de energ�a a partir de biomasa para proyectos del programa de mecanismo de desarrollo limpio. Revista Mexicana de Ingenier�a Qu�mica, 35-39.

6.             Instituto Nacional de Meteorolog�a e Hidrolog�a. (30 de Junio de 2017). Anuario Meteorologico. Quito, Pichincha, Ecuador: INAMHI.

7.             Manals-Cuti�o, E., Penedo-Medina, M., & Salas-Tort, D. (2015). Caracterizaci�n del bagazo de ca�a como biomasa vegetal. Tecnolog�a Qu�mica, 244-255.

8.             Manyuchi, M., Mbohwa, C., & Muzenda, E. (2019). Evaluating the Usability of Bio Coal from Sugar Cane Bagasse as a Solid Fuel. Procedia Manufacturing, 516-521.

9.             Morales, J., & Ramires, J. (05 de Enero de 2003). An�lisis Estad�stico del cultivo y producci�n de Ca�a de Az�car. Guayaquil, Guayas, Ecuador: Escuela Politecnica del Litoral.

10.         Nguyen, T. L., Hermansen, J., & Sagisaka, M. (2009). Fossil energy savings potential of sugar cane bio-energy systems. Applied Energy, 132-139.

11.         Olmo, O. A., Casanova Cabeza, E., Galvez Taupier, L., Lodos Fernandez, J., Fernandez Rodriguez, N., & Abril Gonzalez, A. (2015). El bagazo de la ca�a de az�car. Propiedades, constituci�n y potencial. En Patrimonio Cientifico del nuevo ICIDCA. Habana: ICIDCA.

12.         Osorio Cadavid, G. (2007). BUENAS PR�CTICAS AGR�COLAS -BPA- Y BUENAS PR�CTICAS DE MANUFACTURA -BPM EN LA PRODUCCI�N DE CA�A Y PANELA. Osorio, COlombia: CTP Print Ltda.

 

 

 

 

 

 

 

�2020 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).