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Metodologías termogravimétricas para la determinación del contenido de cenizas en bagazo y en residuos agrícolas de la cosecha en verde de la caña de azúcar en Tucumán

M. Gabriela Mistretta*, Gimena Zamora Rueda*, Florencia Peralta*, Cynthia Gutiérrez***, M.

Valeria Bravo****, Hector Zalazar***, Enrique A. Feijóo****, Marcos A. Golato**, Dora Paz***** y Gerónimo J. Cárdenas*

Introducción

El bagazo de la caña de azúcar es un subproducto de su molienda y es el principal combustible de

la industria azucarera, pero debido a ineficiencias en el proceso de fabricación de azúcar y a las

constantes variaciones en el consumo de vapor de fábrica, es necesario utilizar combustibles

adicionales como el gas natural y/o el “fuel oil”. Estos últimos combustibles presentan en la

actualidad el inconveniente de su falta de disponibilidad y elevado costo.

Desde el año 2005, la Estación Experimental Agroindustrial Obispo Colombres (EEAOC) ha

estado realizando estudios para el aprovechamiento energético de los residuos agrícolas de la

cosecha en verde de la caña de azúcar (RAC), ya que por sus características físico-químicas y

caloríficas similares a las del bagazo constituyen un potencial biocombustible para operar los

generadores de vapor en la producción de energía térmica y mecánica en la industria azucarera

(Paz et al., 2007; Aso et al., 2008; De Boeck et al., 2009 y Castagnaro et al., 2011). Con ellos,

podrían sustituirse los combustibles de fuentes no-renovables, como lo son los derivados del

petróleo o el carbón.

Así mismo, el uso del RAC aparece como una importante alternativa para conformar sistemas de

producción más limpios, que prescinden de la quema de este material vegetal, conservando el

suelo y ofreciendo una posibilidad para la generación de energía eléctrica.

En general, el uso de la biomasa de origen agroindustrial como recurso energético ofrece variadas

ventajas con respecto a las fuentes de energía convencionales. Tanto el bagazo como el RAC

poseen características específicas que viabilizan su utilización como biocombustibles para la

cogeneración de energía (generación simultánea de energía térmica y eléctrica). No obstante, es

necesario caracterizar los biocombustibles para analizar y predecir el comportamiento que podrían

tener en el interior del hogar de la caldera.

Unos de los parámetros fundamentales a evaluar para garantizar una operación eficiente y segura

del combustible en el generador es su contenido de cenizas. Este parámetro se encuentra

asociado a la formación de aglomerados de ceniza que influyen negativamente en las grillas y

generan depósitos de escoria en las diferentes partes internas del generador de vapor. Además,

altos contenidos de cenizas producen una acelerada corrosión y erosión de los tubos del lado de

* Ing. Qco., ** Ing. Mco., ***Tco., ****Ing. Ind., *****Dra. Ing. Qco., Sección Ingeniería y Proyectos Agroindustriales, EEAOC. e-mail: mediciones@eeaoc.org.ar  

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los gases y dificultan el intercambio de calor cuando se adhieren, en estado pastoso, a zonas del

haz convectivo y de los sobrecalentadores de vapor. Desde el punto de vista ambiental, el

conocimiento de este parámetro permite evaluar el impacto de su emisión cuando se encuentra en

estado de aerosol con los gases efluentes por chimenea.

Por otro lado, el contenido de cenizas de un combustible define la utilización, manejo y disposición

final de estos residuos en una planta industrial. En reglas generales, los problemas e impactos

que tienen en el desempeño de una planta dependen de las características del combustible, entre

las cuales el contenido de cenizas y su composición química influyen directamente en el diseño y

operación de los equipos de combustión.

El objetivo de este trabajo es mostrar los resultados de las determinaciones del contenido de

cenizas en bagazo y RAC, realizadas con un moderno equipo termogravimétrico automatizado de

última generación, instalado en el Laboratorio de Ensayos y Mediciones Industriales (LEMI) de la

Sección de Ingeniería y Proyectos Agroindustriales de la EEAOC.

Analizador termogravimétrico automatizado (TGA)

El equipo analizador termogravimétrico automatizado se utiliza para determinar la composición de

materiales orgánicos, inorgánicos y sintéticos, permitiendo determinar el contenido de humedad

(%w), ceniza (%cz), sólidos volátiles (%SV) y carbono fijo (%CF) de manera simultánea en una

sola operación y en hasta 19 muestras de diferentes biomasas.

Los procedimientos tradicionales para la determinación de estos parámetros presentan el

inconveniente de basarse en ensayos de larga duración, además de que requieren un elevado

número de técnicos operarios. La situación se hace aun más compleja cuando hay un elevado

número de muestras a procesar. Por otro lado, se necesita que los datos obtenidos sean

confiables y trazables, por lo que resulta imprescindible contar con equipos certificados, técnicas

estandarizadas y personal calificado para el análisis y el tratamiento de los materiales a ensayar.

El equipo termogravimétrico automatizado, modelo TGA 701 de marca Leco, determina

automáticamente, por gravimetría registrada, la pérdida de peso en función de la temperatura en

una atmósfera de gases controlada. Las técnicas utilizadas por este equipo cumplen con las

normas ASTM -ASTM D 3174-02, 2002; ASTM D 5142–02a, 2003 y ASTM D7582, 2012 (ASTM

International, 2002, 2003 y 2012) y se encuentran aprobadas por la AOAC International y la AACC

International.

El equipo analizador termogravimétrico automatizado posee controles operacionales que mejoran

la exactitud de la temperatura de trabajo (hasta 1000°C) y dispone de un montaje neumático

autoajustado del carrusel porta crisoles, que mejora la confiabilidad eliminando la oscilación y

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aumentando la exactitud de la posición del carrusel, en función de la cantidad de crisoles o

muestras a analizar.

En la Figura 1, se puede observar el equipo analizador termogravimétrico instalado en el LEMI de

la EEAOC. Este se encuentra compuesto básicamente por:

- Horno de calefacción: utiliza resistencias eléctricas para generar calor y su temperatura de

trabajo se encuentra entre 100ºC y 1000ºC.

- Carrusel porta crisoles: permite usar hasta 20 crisoles de 10ml c/u, de los cuales 19 son

utilizados en los análisis (el restante es el crisol de referencia).

- Balanza de precisión: posee una precisión de 0,0001 g.

- Termocupla control de hogar: sensor de temperatura para el control del horno de

calefacción.

- Termocupla control de sobre temperaturas: sensor de temperatura para el control de las

sobre temperaturas en el horno.

- Lanzas de inyección: permiten la inyección de los gases en el interior del horno y se

encuentran distribuidas convenientemente, con el fin de generar un ambiente inerte.

- Regulador de flujo: representa una estación de regulación del flujo de gases hacia las

lanzas de inyección.

- Batería de tubos de gases especiales: se encuentra constituida por tres cilindros con una

presión interior no menor a 35 psi (2,38 bar). Estos gases generan las atmósferas

necesarias para las determinaciones en función de los parámetros a analizar. Los gases

utilizados son: oxígeno de alta pureza (99,9%), nitrógeno (99,9%) y aire seco libre de

aceite.

En la Figura 2 se muestra un esquema de las principales partes constitutivas del equipo TGA701;

se puede observar la distribución general de estas en el interior del equipo.

Figura 1. Equipo analizador termogravimétrico marca LECO, modelo TGA 701, instalado en el

LEMI-EEAOC.

 

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Funcionamiento del TGA

El equipo analizador termogravimétrico realiza tareas automatizadas en función del programa

cargado en el sistema de control de la unidad. El análisis comienza cargando los crisoles con 0,5

g a 5,0 g de muestras sólidas o líquidas. La preparación de estas es fundamental para alcanzar

resultados representativos: por ejemplo, el tamaño de partículas debe ser homogéneo y no

superior a 250 μm en el caso de materiales sólidos. Luego, se da inicio al análisis y el equipo

determina los parámetros %w, %cz, %SV y %CF por diferencia de pesadas en función de las

temperaturas alcanzadas en cada caso. Los resultados de los análisis pueden verse directamente

en el monitor de la PC de control, así como también el trazado de la pérdida de peso de la

muestra en función de la temperatura y del tiempo. El sistema de control registra de manera

continua la masa de las 19 muestras de manera simultánea, inmersas en la atmósfera controlada.

Este equipo analizador se programa y se ajusta manualmente según el tipo de biomasa a analizar;

para ello se deben cargar las rampas de calentamiento del horno para los diferentes parámetros a

analizar. Luego, en relación a los pesos original y final de la muestra alcanzados hasta peso

constante, el equipo determina automáticamente la fracción de peso de la humedad total, de las

cenizas, de los sólidos volátiles y del carbono fijo.

En la Figura 3 se muestra una imagen de la pantalla de control del TGA 701, donde se observan

los resultados promedio de los parámetros antes mencionados. Además, se puede apreciar las

curvas del porcentaje de la masa respecto a la inicial, la pérdida de masa por efecto de la

Figura 2. Esquema de funcionamiento del equipo termogravimétrico TGA 701 instalado en el

LEMI-EEAOC.

 

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evaporación, volatilización y combustión (%/min) y la temperatura correspondiente (ºC), en función

del tiempo.

Es importante indicar que los procedimientos descriptos en las normas indicadas se refieren a

carbón mineral. No obstante, estas técnicas pueden ser modificadas convenientemente para que

puedan ser utilizadas en el análisis de cualquier tipo de biomasa o material combustible.

Caracterización del bagazo y del RAC

Para la caracterización del bagazo y del RAC, se procedió a ajustar las rampas de trabajo del

equipo TGA 701, tomando como referencia los resultados del análisis y evaluación de los

parámetros ensayados (%w, %cz, %SV y %CF), determinados con los procedimientos

tradicionales realizados en mufla y estufa, según normas ASTM D 3173, D 3174 y D 3175 y según

lo indicado por Nogues et al., 2010 y Barboza Cortez et al., 2008.

Para la determinación del contenido de ceniza en bagazo, se propuso la metodología denominada

bagazo-1, que realiza inicialmente un secado de las muestras a 105ºC y una posterior calcinación

a 750ºC hasta peso constante. Esta última operación se realizó en una atmósfera de oxígeno

controlada, con una velocidad de calentamiento de 6ºC/min.

Para el análisis del contenido de cenizas en las muestras de RAC, se propuso la metodología

RAC- modificado, según la cual el secado de la muestra también se realizó a 105ºC y la

calcinación a 750ºC hasta peso constante, en una atmósfera controlada de oxígeno, pero a una

velocidad de calentamiento de 3ºC/min.

Paralelamente, las muestras de bagazo y RAC fueron procesadas siguiendo la metodología

tradicional, con secado previo en estufa eléctrica marca ORL y circulación forzada de aire a 105ºC.

Posteriormente, se realizó la calcinación de las muestras en un horno mufla marca ORL, a 550ºC

Figura 3. Captura de pantalla del software de control del equipo TGA instalado en LEMI-EEAOC.

 

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hasta peso constante y con una velocidad de calentamiento de 8ºC/min. Estos ensayos se

realizaron por triplicado.

La Tabla 1 compara los resultados del análisis del contenido de cenizas en bagazo y RAC

obtenidos con mufla y con el equipo TGA 701. Se puede observar el error relativo de los datos

obtenidos con el equipo automatizado, frente al de los resultados logrados siguiendo la

metodología tradicional. Los errores relativos obtenidos coinciden con los observados por Pazó et

al., 2010.

Mufla TGA 701 Mufla TGA Bagazo

Nº Ceniza

[%] Ceniza [%] Error rel. [%]

RAC Nº

Ceniza [%] Ceniza [%]

Error rel. [%]

1 17,53 17,40 0,77 1 9,40 9,52 1,28 2 3,67 3,65 0,65 2 8,85 8,95 1,13 3 3,85 3,81 0,96 3 10,58 10,68 0,95 4 4,35 4,31 0,85 4 20,69 20,80 0,53 5 4,61 4,57 0,90 5 17,69 17,45 1,36 6 4,75 4,79 0,80 6 22,09 21,83 1,18 7 12,12 12,23 0,92 7 14,00 14,20 1,43 8 4,83 4,87 0,80 8 9,19 9,08 1,20 9 3,41 3,38 0,85 9 14,29 14,48 1,33

10 3,35 3,36 0,18 10 11,60 11,74 1,21 11 4,04 4,00 0,94 11 10,75 10,90 1,40 12 11,15 11,25 0,90 12 12,53 12,39 1,12 13 7,71 7,65 0,77 13 15,92 16,14 1,38 14 4,22 4,25 0,77 14 17,06 17,19 0,76 15 4,75 4,70 1,00 15 15,24 15,45 1,38 16 6,42 6,46 0,55 16 11,27 11,43 1,42 17 6,26 6,20 0,98 17 8,73 8,83 1,15 18 3,60 3,63 0,79 18 8,06 7,97 1,08 19 28,20 28,45 0,87 19 11,70 11,87 1,45 20 6,55 6,61 0,98 20 13,38 13,56 1,35

En la Figura 4 se pueden observar las correspondientes curvas de ajuste o constatación de los

valores mostrados en Tabla 1. Se indica la línea de tendencia obtenida y la ecuación

correspondiente con su coeficiente de determinación lineal (R2).

Tabla 1. Resultados de las determinaciones del contenido de cenizas de bagazo y RAC aplicando la técnica tradicional de mufla frente a los resultados del análisis realizado con el equipo TGA 701.  

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Consideraciones finales

Analizando los resultados de la experiencia descripta en este trabajo, se puede indicar que los

valores de los contenidos de cenizas en bagazo obtenidos con mufla y con el equipo automatizado

TGA 701 resultaron valores próximos entre sí, con errores relativos menores al 1%. Con respecto

al RAC, los valores del contenido de cenizas determinados en mufla presentaron errores relativos

inferiores al 1,5%, frente a los obtenidos con el TGA 701.

Se puede concluir que las metodologías propuestas para la determinación de los contenidos de

cenizas en bagazo (método bagazo-1) y RAC (método RAC-modificado) son adecuadas, ya que

logran errores relativos bajos en comparación con las determinaciones tradicionales en mufla. Los

resultados presentan iguales tendencias y valores próximos a las medias. El análisis estadístico

muestra que no existen diferencias significativas para los resultados del contenido de cenizas

obtenidas por medio de las metodologías analizadas, las cuales resultan satisfactorias para los

ensayos en estas biomasas.

Figura 4: Curva de constatación de la metodología ensayada para la muestra de bagazo y RAC.

 

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Bibliografía citada

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ASTM International, West Conshohocken, USA.

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