DICHO PROCEDIMIENTO

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención consiste en un procedimiento para fabricar biobriquetas a partir de biomasas residuales de origen agrícola, agroindustrial y forestal y una biobriqueta fabricada mediante dicho procedimiento, la cual ha sido desarrollada en el área de los procesos de reciclaje, específicamente en el área de fabricación de combustibles sólidos con materia orgánica residual. La invención está orientada al sector agroindustrial y a la industria de la madera, tanto para pequeños productores como para grandes empresas.

ESTADO DE LA TÉCNICA

El aprovechamiento energético de la biomasa residual, de origen agrícola, agroindustrial y forestal, en nuestro país es de mucha importancia, tanto por su valor económico como por el impacto social y ambiental que se puede generar. Actualmente, en algunos casos dependiendo del residuo, existen otras aplicaciones no energéticas para estos materiales como alimento para ganado, insumo para abonos, material para cama de aves por ejemplo, pero los volúmenes requeridos son reducidos por lo que grandes cantidades de biomasa residual se desperdicia y para su eliminación se quema o echa a los ríos lo que genera contaminación ambiental.

Se le denomina biobriqueta al material de forma cúbica, poliédrica o cilindrica, con o sin aditivos, obtenido al aplicar presión a elementos biomásicos pulverizados o molidos lo cual puede ser realizado mediante prensas de pistón o por otros medios muy conocidos en el estado del arte tales como la extrusión.

Las formas y dimensiones de las biobriquetas (cilindricas, cúbicas y poliédricas) dependerán del equipo utilizado, molde y aplicación. En el caso de los elementos cilindricos, el diámetro debe ser como mínimo de 25 mm. Asimismo, una biobriqueta presenta una mayor densidad aparente que el material de origen, que se traduce en un mayor contenido de energía por unidad de volumen, además esto facilita su manipulación y transporte. Las biobriquetas del arte previo elaboradas a partir de biomasas residuales de origen agrícola, agroindustrial y forestal (cáscaras, viruta, etc.) sin tratamiento previo, es decir sólo mediante las etapas de trituración o molienda y aglomeración, presentan generalmente las siguientes desventajas:

Contener un elevado porcentaje de materia volátil, lo cual ocasiona la producción de humos durante su combustión, aspectos no deseados por ser dañinos para la salud y contaminantes del medio ambiente.

- Presentar el problema de biodegradación debido a la humedad.

Por otro lado, en algunos países de Europa como Holanda, se realizan investigaciones sobre el desarrollo de pellets de madera torrefactados y su aplicación en procesos de co-generación con carbón mineral. La "torrefacción" es un proceso de pirólisis moderada en atmósfera inerte para la mejora de las características del material de origen.

Sin embargo, este proceso es complejo al involucrar un sistema para hacer inerte la atmósfera y un sofisticado reactor tipo torre vertical.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCION

La solución propuesta por la invención, consiste en un proceso o procedimiento para elaborar biobriquetas a partir de residuos sólidos de origen agrícola, agroindustrial y forestal.

El procedimiento consiste básicamente en tomar una muestra representativa y realizar su caracterización físico-química, realizar un primer acondicionamiento, realizar un segundo acondicionamiento, realizar una molienda y tamizado final, aglomerar la biomasa acondicionada, realizar el prensado y por último curar la biobriqueta ya prensada.

En el segundo acondicionamiento se realiza una tostación con llama indirecta de la materia virgen mediante un horno o reactor giratorio de eje horizontal, aplicando una curva de calentamiento específica, en un ambiente no presurizado, es decir puede estar a presión atmosférica, en el cual se admite una ligera cantidad de aire al no requerir ningún agente externo para inertizar la atmósfera donde se lleva a cabo el proceso. Con dicha etapa de tostación se ha encontrado biobriquetas de mejor calidad que las hechas empleando material virgen no tostado. De hecho, es el proceso de tostado del residuo el que incrementa el poder calorífico de la biobriqueta comparándola con una hecha a partir de un residuo en estado virgen, es decir sin haber sido tostado.

Asimismo, otra ventaja es que el nuevo proceso inventado es más simple que los procesos conocidos en el arte previo lo cual lo hace replicable en regiones de escasos recursos donde también se espera introducir esta tecnología.

En particular comparado con el de torrefacción, la invención emplea un reactor de eje giratorio horizontal sin necesidad de una atmósfera inerte y tolerando una leve presencia de oxigeno. Nuestro objetivo fue conseguir un proceso que obtuviese los mismos resultados que los obtenidos en el de torrefacción pero de una manera más simple, para que pueda ser replicado con facilidad en nuestro medio.

También, el proceso es ventajoso porque facilita la molienda de los materiales al ser el material tostado más friable. No todos los residuos son iguales. Hay algunos que son abrasivos, duros o fibrosos esto dificulta el trabajo de molienda que se traduce en un mayor tiempo de molienda y por lo tanto mayor gasto de energía. También en un mayor desgaste de las partes del molino en contacto con el material. Como es sabido, hay diferentes tipos de molino: de martillos, de bolas, de disco, etc. Debido a ello los elementos de contacto son elegidos dependiendo de cada material a moler o triturar, y exigen un constante reemplazo por su rápido desgaste. En cambio, con los materiales tostados se puede utilizar el mismo tipo de elementos de contacto en cualquier producto y tienen mayor durabilidad.

Otro aspecto de la invención es un combustible, en particular una biobriqueta, fabricado por el procedimiento anteriormente descrito.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

Figura 1 Flujo del proceso.

Figura 2 Curvas de temperaturas durante los ensayos.

Figura 3 Composición de los residuos iniciales. Figura 4: Composición de la biobriqueta final.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION En la figura 1 se describe el proceso general, el cual consiste en las siguientes etapas:

a. obtener una muestra representativa del residuo la cual luego se someterá a una serie de ensayos para su caracterización físico química a fin de y establecer los procesos de acondicionamiento requeridos y las características del combustible.

b. realizar un primer acondicionamiento que consiste en realizar por lo menos una de las siguientes operaciones: secado, triturado, molienda preliminar y tamizado,

c. realizar un segundo acondicionamiento que comprende la etapa de tostar la biomasa previamente acondicionada,

d. realizar la molienda final del material tostado hasta que el tamaño del material sea inferior a 149 mieras (malla Tyler 100),

e. aglomerar la biomasa acondicionada utilizando un gel orgánico,

f. realizar el prensado de la mezcla,

g. realizar la curación de la biobriqueta ya prensada.

El muestreo y la caracterización físico-química consiste en determinar en la muestra el contenido de humedad, el contenido de volátiles, el carbono fijo, el contenido de cenizas, el poder calorífico, realizar un análisis elemental, de granulometría, de densidad, entre otras características, para en base a los resultados definir el proceso de acondicionamiento a realizar, entre otras cosas. Esto se realiza a través de ensayos ampliamente conocidos en el estado del arte. Esta etapa es crítica debido a que un mal muestreo conduciría a resultados errados.

El primer acondicionamiento depende de las características encontradas en la etapa de muestreo, según el tamaño, la forma y la cantidad de humedad. Por ejemplo, en el caso de la viruta de madera sólo es necesario aplicar un proceso de tamizado con la finalidad de eliminar polvillo y obtener fracciones mayores a 3 mm, que resulta ser la granulometría más adecuada para su tostación posterior. Para el caso de la cascarilla de café, este residuo no requiere de ningún proceso de secado ni triturado debido a sus características iniciales. Por otro lado, en el caso del afrecho de cebada proveniente del proceso de elaboración de la cerveza, debido a que el residuo muestra una elevada humedad, se hace necesario realizar un proceso previo de secado a la operación de tamizado para reducir su humedad a valores inferiores al 15%. La etapa de tostación del residuo, la cual es un proceso de transformación termoquímica, consiste en un calentamiento lento de las biomasas mediante una llama indirecta en una atmósfera no presurizada, es decir puede estar a presión atmosférica, con limitada presencia de oxígeno. Este proceso se realiza en un reactor cilindrico horizontal giratorio calentado mediante un quemador de gas. La aplicación de este proceso permite reducir la humedad y los volátiles, así como incrementar el poder calorífico, lo que genera mejoras significativas de sus propiedades como combustible. Además lo torna más friable, lo cual facilita la molienda, e hidrofóbico, lo cual lo hace más resistente a la biodegradación. Esta etapa comprende el paso de tostar el material a una temperatura entre 250 a 300°C, siendo la temperatura preferida 270°C, con un tiempo de residencia o permanencia entre 30 a 90 minutos, siendo preferido un tiempo de residencia de 40 minutos, y una velocidad de calentamiento comprendida en el rango de 10°C/min a 30°C/min, siendo la velocidad preferida la de 20°C/min. Las temperaturas, velocidades de calentamiento y tiempos de residencia dependen, entre otros aspectos, del residuo y del costo del proceso, sin embargo, los valores preferidos optimizan muchos aspectos.

En la siguiente etapa, el material tostado debe ser molido a una granulometría inferior a 149 mieras (0.149mm) haciendo uso para ello de un molino de martillos de laboratorio. Se prepara un aglomerante orgánico en forma de gel, el cual para la presente invención consiste en un aglomerante basado en fécula de maíz y agua. Luego, se procede a mezclar esta solución con los residuos tostados y molidos en la molienda final, en proporciones que no excedan el 15% en peso de este último componente con respecto al peso total de la mezcla. El uso de este tipo de aglomerante tiene la ventaja de no afectar el contenido energético de las biobriquetas por lo cual el poder calorífico de la biobriqueta resulta ser equivalente al de la materia prima, es decir el residuo tostado, utilizado para su producción, además de presentar un bajo contenido de cenizas.

Los residuos utilizados en las biobriquetas pueden ser, sin limitarse a ellos:

- cascarilla de café,

- afrecho de cebada, o

- viruta de madera.

Las formas de las biobriquetas pueden ser: cúbicas, poliédricas o cilindricas. En una realización preferida de la invención la biobriqueta cilindrica tiene, en promedio, las siguientes medidas: 36 mm de diámetro con un agujero central de 1 1.5 mm y una altura entre 30 a 40 mm. La etapa de prensado se realiza con prensas manuales o hidráulicas convencionales muy conocidas en el estado del arte.

Finalmente, las biobriquetas obtenidas se someten a un proceso de curado a 160°C, durante 30 minutos, en un horno eléctrico, lográndose reducir el contenido de humedad presente y mejorar sus propiedades mecánicas.

Ejemplo de realización

Se trabajó con los tres tipos de residuo, cascarilla de café, afrecho de cebada, viruta de madera, encontrándose en la materia virgen humedades comprendidas entre 10% y 17%, un alto porcentaje de materia volátil de por lo menos 75% y un bajo contenido de cenizas y de carbono fijo (ver figura 3).

En el caso del afrecho de cebada, el secado realizado previamente al tamizado se hizo de manera natural bajo el sol.

La etapa fundamental de tostado se realizó en una tostadora giratoria de café de eje horizontal, calentada mediante llama indirecta, y adaptada para el proceso.

El aglomerante utilizado fue orgánico, a base fécula de maíz y agua.

En nuestro ejemplo el prensado o compactación se realizó en una prensa tipo pistón, de fácil operación, típica en procesos de baja a media presión.

Las biobriquetas desarrolladas fueron de forma cilindrica, de 36 mm de diámetro exterior con agujero central de 1 1.5 mm y una altura entre 30-40 mm en promedio. En la figura 4, se presenta un cuadro con los resultados del análisis aplicado a las biobriquetas desarrolladas a partir de los residuos de cascarilla de café, afrecho de cebada y viruta de madera. En estos resultados se aprecia que la materia volátil se redujo y pasó a representar el 60%, las cenizas aumentaron ligeramente, y el carbono fijo, factor que afecta directamente el poder calorífico del biocombustible, aumentó hasta representar el 30 a 40%. Los poderes caloríficos de las muestras obtenidas medidos en base seca fueron de 4536 kcal/kg (cascarilla de café), 5127 kcal/kg (afrecho de cebada) y 4865 kcal/kg (viruta de madera), respectivamente. Como se puede apreciar en todos los casos, se ha logrado una reducción del contenido de materia volátil y, un incremento significativo del contenido de carbono fijo respecto de los valores registrados en los residuos en estado virgen.

En conclusión, las biobriquetas desarrolladas mostraron ventajas con respecto a las biobriquetas desarrolladas por los procedimientos del arte previo, ya que evidenciaron una densidad superior a los 550 kg/m3 en el caso de la viruta de madera y el afrecho de cebada y superior a los 700 kg/m3 en el caso de la cascarilla de café, una durabilidad mayor al 97%, un mayor poder calórico que el material base y resistencia a la biodegradación (formación de hongos). La durabilidad se midió colocando las biobriquetas en un equipo vibratorio que simule condiciones reales que se producen durante la manipulación y transporte del combustible (impactos entre briquetas y, de las briquetas con las paredes del recipiente), siendo el índice de durabilidad medido el cociente del peso de las briquetas luego de la prueba y antes de la prueba. La resistencia a la biodegradación se midió por observación respecto del surgimiento de hongos varios días después de que la biobriqueta fuera producida. Este problema es muy frecuente cuando las briquetas son preparadas con material virgen, es decir sin tratamiento de tostación previo. Las biobriquetas tostadas no presentaron este problema. Los resultados obtenidos satisfacen ampliamente los estándares internacionales de calidad fijados para este tipo de combustible y permiten el aprovechamiento de residuos sólidos de origen agrícola, agroindustrial y forestal como biocombustibles orgánicos, promoviendo el desarrollo industrial y la mejora de las condiciones de vida.