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Revista Chapingo serie ciencias forestales y del ambiente

versión On-line ISSN 2007-4018versión impresa ISSN 2007-3828

Rev. Chapingo ser. cienc. for. ambient vol.22 no.3 Chapingo sep./dic. 2016

http://dx.doi.org/10.5154/r.rchscfa.2015.09.044 

Articulo científico

Características y propiedades de pellets de biomasa torrefaccionada de Gmelina arborea y Dipterix panamensis a diferentes tiempos

Johanna Gaitán-Álvarez1 

Roger Moya1  * 

1Escuela de Ingeniería Forestal, Instituto Tecnológico de Costa Rica. Cartago, Costa Rica, Apartado 159-7050.

Resumen

La torrefacción y peletización se han estudiado en la generación de calor a partir de residuos lignocelulósicos, para incrementar las propiedades energéticas del material. El objetivo del presente trabajo fue torrefaccionar aserrín de Gmelina arborea y Dipteryx panamensis a 200 °C en tres tiempos: 0, 15 y 20 minutos. Con las biomasas obtenidas se fabricaron pellets de 6 mm de diámetro y se evaluaron sus propiedades físicas, el poder calórico, la densidad y la propiedad mecánica de resistencia a la compresión. Ambas especies presentaron características físicas similares con respecto al diámetro (0.50 mm), longitud (21.50 mm) y porcentaje de absorción de agua (6.00 %). El poder calórico aumentó de 9,749 kJ•kg-1 en la biomasa sin torrefaccionar a 18,126 kJ•kg-1 en la biomasa torrefaccionada. Los pellets de D. panamesis presentaron mayor densidad y resistencia a la compresión que los de G. arborea. Con base en los resultados, la resistencia a la compresión del pellet disminuye cuando el tiempo de torrefacción aumenta. Existe correlación positiva entre la densidad de los pellets y la resistencia a la compresión. La especie D. panamensis presenta mejor comportamiento a la torrefacción y peletización que la madera de G. arborea.

Palabras clave: Combustible; rayos X; perfiles de densidad; compresión.

Introducción

La biomasa lignocelulósica es una de las fuentes renovables con mayor capacidad para generar energía. La biomasa se puede obtener de residuos de industrias agrícolas y forestales (Bahng, Mukarate, Robichaud, & Nimlos, 2009). En el caso de Costa Rica, las especies Gmelina arborea Roxb. y Dipteryx panamensis (Pittier) Record & Mell. se consideran importantes para el sector forestal, tanto por la calidad de su madera como por la adaptación a diferentes ecosistemas cuando se utilizan en plantaciones forestales (Petit & Montagnini, 2004). Con respecto a la producción de bioenergía, existen pocos estudios que muestren el potencial energético de dichas especies o bien la posibilidad de aumentar sus propiedades energéticas (Tenorio & Moya, 2012). La biomasa de G. arborea y D. panamensis, entre otros tipos de biomasa, pueden ser no favorables con relación a sus procesos o características (alto contenido de humedad, naturaleza higroscópica y densidad baja) si se comparan con otros combustibles fósiles (Castellano, Gómez, Fernández, Esteban, & Carrasco, 2015). Por esta razón se han implementado diferentes procesos para mejorar las condiciones naturales de la biomasa, específicamente, el aumento de su capacidad calórica. La torrefacción es uno de estos tratamientos que mejora la absorción de humedad y la capacidad calórica (Wu, Schott, & Lodewijks, 2011). En la torrefacción, la temperatura incrementa lentamente hasta un rango entre 200 y 300 °C en ausencia de oxígeno, para evitar que el material biomásico arda debido a la flamabilidad del elemento (Van der Stelt, Gerhauser, Kie, & Ptasinski, 2011). Otro método para mejorar los procesos de la biomasa, pero orientado al transporte, es la densificación a partir de la fabricación de pellets o briquetas (Chen, Peng, & Bi, 2015). En estos productos, la biomasa se densifica mediante un proceso mecánico donde se aplica presión, disminuyendo los espacios entre las partículas de la madera e incrementando su densidad (Stelte et al., 2012); la densidad energética, los contenidos de humedad y cenizas mejoran considerablemente, y los costos de transporte y almacenamiento disminuyen (Filbakk, Skjevrak, Høibø, Dibdiakova, & Jirjis, 2011).

Recientemente, la torrefacción y la compactación se han combinado para mejorar el proceso y desempeño de la biomasa (Li et al., 2012). Los pellets con biomasa torrefaccionada disminuyen la absorción de humedad (Li et al., 2012); sin embargo, este tipo de biomasa presenta mayor dificultad de compresión, por lo que es necesario un mayor consumo de energía para la elaboración de los mismos (Wang et al., 2013). Los pellets también pueden presentar densidades y fuerzas mecánicas menores que los elaborados con biomasa no tratada (Li et al., 2012).

La calidad de los pellets se ha evaluado con distintas técnicas, como los rayos X, que proporcionan información de la estructura interna (Tenorio, Moya, Tomazello, & Valaert, 2015). Con esta técnica se puede realizar una microtomografía en la cual es posible determinar la presencia de fisuras e irregularidades en los pellets, al igual que se puede comprobar la resistencia mecánica de los mismos (Tenorio et al., 2015).

Dadas las condiciones antes mencionadas, el presente estudio tiene como objetivo evaluar la densidad, absorción de agua y la resistencia a la compresión de pellets fabricados con biomasa torrefaccionada (a diferentes tiempos) de dos especies forestales (G. arborea y D. panamensis) utilizadas en la reforestación comercial de Costa Rica. Asimismo se evaluó la relación de la densidad del pellet con la resistencia mecánica a la compresión

Materiales y métodos

Material de estudio

Se utilizaron residuos maderables de G. arborea y D. panamensis procedente de plantaciones de 10 años de edad. El aserrín de ambas especies se recolectó directamente del proceso de aserrío y se secó al aire hasta alcanzar aproximadamente 12 % de humedad. El tamaño de las partículas varió entre 1 y 3 mm de longitud y 1 a 2 mm de diámetro. Una descripción del proceso de obtención de las partículas utilizadas puede consultarse en Aragon, Moya, Bond, Valaert, y Tomazello (2016).

Torrefacción de la biomasa de G. arborea y D. panamensis

Aproximadamente 500 g de aserrín se tomaron de cada especie. Esta cantidad se dividió en tres partes para aplicar tres tiempos de torrefacción, denominados tratamientos: 1) testigo (sin torrefacción, 0 min), 2) 200 °C por 15 min y 3) 200 °C por 20 min. Durante el proceso de torrefacción, el flujo de aire se controló sellando la mufla (Marca Nabertherm, modelo L3/12, Holanda) y liberando el aire cada 5 min mediante una llave de paso para evitar el ingreso de oxígeno y así evitar la combustión del aire.

Peletizado de la biomasa torrefaccionada de G. arborea y D. panamensis

El aserrín torrefaccionado se utilizó para fabricar pellets, utilizando una máquina universal de ensayos con capacidad de 1 t (marca JBA, modelo 855, España). La temperatura y presión de la fabricación de los pellets se controló mediante un aditamento construido con un vástago de 6 mm de diámetro y un émbolo que comprimió la biomasa (Figura 1). Los pellets se elaboraron con 1.09 g del material torrefacionado, el cual se colocó en el vástago del aditamento y se comprimió a una velocidad de 60 m•min-1. La biomasa se comprimió hasta alcanzar un pellet de aproximadamente 2.5 cm de longitud. El pellet permaneció por un periodo de 2 min a una temperatura de 200 °C y después se extrajo de la máquina. Se elaboraron 20 pellets por cada tiempo de evaluación para ambas especies.

Figura 1 Máquina de ensayo universal (a) y aditamento construido para la fabricación de pellets (b), a partir de aserrín torrefaccionado de Gmelina arborea y Dipteryx panamensis

Propiedades físicas y poder calórico de los pellets

La longitud, diámetro, porcentaje de absorción de agua y poder calórico de los pellets construidos se determinaron. En el caso del porcentaje de absorción, se seleccionaron 10 pellets y se cortaron a la mitad; una de las mitades se colocó en un desecador con una solución saturada de nitrato de potasio (KNO3) a 22 °C (contenido de humedad de equilibrio de 21 %) por 15 días hasta que obtuvieron peso constante. Las muestras se pesaron antes y después de este tiempo, y el porcentaje de absorción de agua se calculó con la siguiente ecuación:

El poder calórico se determinó bajo la norma ASTM-D5865 que utiliza la prueba calorimétrica de Parrs´s (American Society for Testing and Materials [ASTM], 2003).

Densidad de los pellets por densitometría de rayos X

La densidad real (kg•m-3) de los pellets se calculó utilizando el peso (kg) y las medidas de longitud (m) y diámetro (m), aplicando la siguiente ecuación:

Posteriormente, la densidad se obtuvo mediante densitometría de rayos X en sentido longitudinal (marca Quintek Messurement Systems Inc., modelo QTRS-01X, EUA), utilizando una tensión de 7 kV en el tubo; las lecturas de densidad fueron hechas durante 1 s cada 40 µm. La densidad se determinó en una muestra de 20 pellets por cada tratamiento en ambas especies. El procedimiento para la determinación de la densidad está ampliamente detallado en Tenorio et al. (2015).

Compresión de los pellets

La resistencia a la compresión se evaluó en las otras 10 mitades de los pellets utilizados en la prueba de absorción. Para ello, la longitud del pellet se ajustó a 13 mm aproximadamente. Dicha prueba se hizo en sentido lateral del pellet, acorde con la metodología propuesta por Aarseth y Prestlokken (2003). En esta prueba, la carga de compresión se aplicó a una velocidad de 0.2 mm•s-1. Se reporta la carga de compresión frente a la deformación del pellet en la zona elástica o límite de proporcionalidad, y la carga máxima alcanzada por el pellet antes de perder su forma.

Análisis estadístico

Se hizo un análisis descriptivo (media, desviación estándar, valores máximos y mínimos) de las variables; además, se verificó si cumplían con los supuestos de normalidad y homocedasticidad de las varianzas. La existencia de diferencias estadísticas significativas entre las medias se verificó mediante un análisis de varianza (ANOVA, P ≤ 0.05) y, finalmente, se aplicó la prueba de Tukey para comparar dichas diferencias con el programa InfoStat (InfoStat, 2014).

Resultados y discusión

Propiedades físicas de los pellets de G. arborea y D. panamensis

Acorde con el Cuadro 1 existen diferencias estadísticas (P = 0.05) entre la longitud de los pellets de G. arborea y D. panamensis, mientras que el diámetro y la absorción de humedad fueron estadísticamente similares (P > 0.05). Los porcentajes de absorción de humedad en los pellets de biomasa no torrefacionada (6.00 y 6.94 %) son superiores a los indicados por Fasina (2008), quien reporta valores de 3 a 5 % en pellets bajo las mismas condiciones. Los porcentajes de absorción de humedad en los pellets elaborados con material torrefaccionado están relacionados con la pérdida de la condición hidrofóbica de la biomasa, pues en el proceso de torrefacción se remueven extractivos almidón y carbohidratos de la misma forma en que la hemicelulosa y la lignina se descomponen (Cao et al., 2015). También la capacidad de absorción de agua de los pellets puede estar influenciada por el contenido de humedad del material, ya que a porcentajes altos de humedad se absorbe menor cantidad de agua y viceversa (Tenorio et al., 2015).

Cuadro 1 Propiedades físicas y poder calórico de los pellets de Gmelina arborea y Dipteryx panamensis a diferentes tiempos (tratamientos) de torrefacción a 200 °C. 

Especie Tiempo (min) Propiedades
Largo
(mm)
Diámetro
(mm)
Absorción
de humedad (%)
Poder calórico
(kJ·kg-1)
Gmelina arborea 0 21.59 a 6.50 a 6.00 a 9,749 a
15 22.48 a 6.52 a 6.89 a 17,471 b
20 19.81 a 6.45 a 6.82 a 17,302 b
Dipteryx panamensis 0 23.96 b 6.43 a 6.94 a 10,504 a
15 23.97 b 6.43 a 5.69 a 17,619 b
20 23.20 b 6.45 a 7.15 a 18,126 b

Letras diferentes en cada parámetro significan diferencias estadísticas entre los tratamientos de las especies, de acuerdo con la prueba de Tukey (P = 0.05)

Por otra parte, el poder calórico varió de 9,749 kJ·kg-1 a 18,126 kJ·kg-1; los valores más bajos se obtuvieron con los tratamientos sin torrefacción. En ambas especies, la biomasa no torrefaccionada y la torrefacionada presentaron diferencias significativas (P = 0.05) en el poder calórico, mientras que en los dos tiempos de torrefacción (15 y 20 min) no se evidenciaron diferencias. Los valores de 9,749 kJ·kg-1 a 18,126 kJ·kg-1 obtenidos en el poder calórico de los pellets bajo diferentes tiempos de torrefacción son cercanos a los reportados para especies maderables de rápido crecimiento en Costa Rica, los cuales varían de 16,500 kJ·kg-1 a 20,600 kJ·kg-1 (Tenorio & Moya, 2012). Los valores obtenidos en el presente trabajo demuestran que el poder calórico incrementa hasta 80 % (Cuadro 1) cuando la biomasa se somete a la torrefacción. El aumento del poder calórico con la temperatura de torrefacción también fue congruente con los valores reportados por Ferro, Beatón, y Zanzi (2009), en pellets de paja de trigo y aserrín. El incremento del poder calórico del material después de la torrefacción está relacionado con la pérdida de oxígeno e hidrógeno y la conservación del carbono, el cual se desintegra a temperaturas más altas, conservando el producto sólido en el material y eliminando los componentes gaseosos y líquidos (Van der Stelt et al., 2011).

Variación de la densidad en los pellets de G. arborea y D. panamensis

Las densidades reales de los pellets y las obtenidas a través de la densitometría de rayos X se presentan en el Cuadro 2. La densidad real varía entre 650 y 780 kg·m-3, siendo solo el tratamiento de G. arborea torrefaccionado a 20 min el que presentó diferencias estadísticas (P = 0.05) con respecto a los demás. El coeficiente de variación para la densidad real y por rayos X fue mayor para G. arborea (Cuadro 2). Dicho resultado puede ser explicado por el hecho de que las maderas de menor densidad, como G. arborea, son por lo general más difíciles durante la compactación de la biomasa (Tenorio & Moya, 2012). La densidad medida por rayos X sí evidencia diferencias entre los tratamientos pero no entre especies. Para el caso de G. arborea, la densidad varía entre 670 y 720 kg·m-3, siendo el testigo similar al tratamiento de torrefacción de 20 min. En D. panemensis, la densidad varía entre 630 y 700 kg·m-3, siendo el tratamiento de 20 min diferente de los tratamientos de 15 min y testigo. En general, la densidad real o calculada fue mayor que la obtenida con rayos X (Cuadro 2). En el presente estudio, la densidad del pellet disminuyó cuando el tiempo de explosión del material a la torrefacción aumentó; sin embargo, esto no es una desventaja, ya que el poder calórico de la biomasa aumentó (Cuadro 1). La disminución de la densidad en el pellet fabricado con biomasa torrefaccionada es una condición normal (Peng, Bi, Lim, & Sokhansanj, 2013). El material torrefaccionado es más difícil de comprimir, pues ha sufrido la pérdida de agua estructural, al igual que otros componentes que actúan como agentes de unión (Cao et al., 2015), lo cual puede solucionarse con el uso de mayor presión y aumento de la temperatura de prensado (Li et al., 2012; Peng et al., 2013).

Cuadro 2 Densidad de los pellets de Gmelina arborea y Dipteryx panamensis a diferentes tiempos (tratamientos) de torrefacción a 200 °C. 

Especie Tiempo (min) Densidad real Densidad rayos X
Promedio (kg·m-3) Coeficiente de variación (%) Promedio (kg·m-3) Coeficiente de variación (%)
Gmelina arborea 0 720 a 13.97 720 c 8.37
15 750 a 12.83 670 b 6.94
20 650 b 14.00 690 bc 8.10
Dipteryx panamensis 0 780 a 3.67 700 bc 2.48
15 780 a 4.18 670 b 3.24
20 760 a 5.25 630 a 3.11

Letras diferentes en cada parámetro significan diferencias estadísticas entre los tratamientos de las especies, de acuerdo con la prueba de Tukey (P = 0.05)

La densidad calculada y la obtenida con densitometría de rayos X fueron inferiores a las encontradas por Tenorio et al. (2015), quienes reportan densidades de 1,200 a 1,400 kg·m-3. No obstante, esta baja densidad puede corregirse en la biomasa de G. arborea y D. panamensis, mejorando las condiciones de prensado de la biomasa y, específicamente, el aditamento utilizado en este estudio.

La Figura 2 muestra los patrones de variación de densidad de los pellets en sentido longitudinal. En ambas especies se presentó el mismo comportamiento, evidenciando que la densidad del pellet decrece al final de la longitud. Los tratamientos con mayor variación en la densidad fueron los de 20 min; en el caso de los tratamientos de 0 y 15 min se presenta una variación aceptable (menor de 3 %). En los perfiles de variación en sentido longitudinal se observa que los pellets presentan irregularidades (Figura 2) que pueden estar relacionadas con el tamaño de partículas (Mani, Tabil, Sokhansanj, 2003) y los problemas que la biomasa presenta al momento de someterla a presión. Un menor tamaño de las partículas produce mayor densidad de los pellets, debido a la mayor facilidad en la compresión de la biomasa (Quirino, de Oliveira, de Souza, & Tomazello, 2012). No obstante, cuando el tamaño de las partículas no es uniforme, es posible que existan variaciones de densidad considerables (Tenorio et al., 2015), tal como ocurrió en el presente trabajo con las dos especies estudiadas.

Figura 2 Variación de la densidad de los pellets de Gmelina arborea (a) y Dipteryx panamensis (b) en dirección longitudinal, a temperaturas de 0, 15 y 20 minutos de torrefacción a 200 °C. 

Resistencia a la compresión de pellets de G. arborea y D. panamensis

La Figura 3 muestra el comportamiento de la carga máxima a la compresión con respecto a la deformación. La especie D. panamensis es la que soporta mayor carga de compresión de los pellets (90.43 a 224.39 N); el testigo soportó mayor carga seguido de los tratamientos de 15 y 20 min. En el caso de G. arborea, las cargas variaron de 28.04 a 32.35 N, siendo los tres tratamientos similares estadísticamente (P > 0.05).

Figura 3 Carga de compresión y comportamiento de la deformación en pellets de Gmelina arborea (a y b) y Dipteryx panamensis (c y d). Letras diferentes sobre las barras significan diferencias estadísticas entre los tratamientos de cada especie, de acuerdo con la prueba de Tukey (P = 0.05). 

Los pellets con biomasa torrefaccionada de D. panamensis presentaron mayor resistencia a la compresión que los de G. arborea (Figura 3). Esta resistencia es importante porque establece el esfuerzo al que pueden someterse los pellets durante su almacenamiento o durante su desempeño (Tenorio et al., 2015). Las diferencias encontradas en la compresión de estas dos especies se atribuyen a diferencias en la densidad de la madera y composición química (Stelte et al., 2012); por ejemplo, Tenorio, Moya, Salas, y Berrocal (2016) señalan que la cantidad de extractivos en D. panamensis varía de 10 a 20 % en diferentes solventes, mientras que en G. arborea es menor de 10 % (Moya & Tenorio, 2013).

Los pellets de D. panamensis elaborados con material torrefaccionado evidenciaron una disminución en la resistencia a la compresión con relación a la biomasa no torrefaccionada (Figura 3). Este comportamiento puede deberse a varias razones: i) descomposición de lignina, hemicelulosa y extractivos durante la torrefacción (Cao et al., 2015), ii) disminución de la humedad, la cual tiene un papel importante para la atracción y cohesión de las partículas adyacentes (Arias et al., 2008) y iii) la capacidad de molienda de la biomasa se mejora durante la torrefacción, lo que hace que el material torrefaccionado sea propenso a la granulación (Ahn et al., 2014).

Relación entre carga de compresión y densidad de los pellets

En la Figura 4 se observa que existe relación lineal entre la variable densidad de los pellets y carga de ruptura a la compresión. Para el caso de la especie G. arborea, el tratamiento sin torrefaccionar (testigo) presentó un coeficiente de determinación bajo de 0.59, seguido del de 20 min con 0.74; el coeficiente más alto fue de 0.85 en el tratamiento de 15 min. En D. panamensis se obtuvieron coeficientes de determinación de 0.74, 0.90 y 0.83 para los tratamientos de 0, 15 y 20 min, respectivamente. En ambas especies, la correlación más alta entre la densidad y la carga de ruptura del pellet se presentó en los tratamientos de 15 min. La relación positiva entre la resistencia a la compresión y la densidad de los pellets (Figura 4) de D. panamensis y G. arborea indica que cuando la densidad aumenta, la resistencia de compresión también incrementa (Carone, Pantaleo, & Pellerano, 2011), pero en el caso de que la variación de la densidad aumente, la resistencia a la compresión disminuye; es decir, la carga de ruptura que el pellet pueda soportar será menor.

Figura 4 Regresión lineal entre los valores de densidad y fuerza de compresión en pellets de Gmelina arborea (a) y Dipteryx panamensis (b) a diferentes tiempos de torrefacción a 200 °C. 

Conclusiones

Los pellets fabricados con biomasa torrefaccionada de G. arborea y D. panamensis presentaron características físicas similares en diámetro, pero no en longitud y porcentaje de absorción. El poder calórico de ambas especies aumentó con la temperatura de torrefacción, mientras que la densidad disminuyó al aumentar el tiempo de exposición del material a la torrefacción. Los perfiles de densidad en sentido longitudinal evidencian que, en ambas especies, dicho parámetro decrece al final del pellet. En el caso de los pellets de G. arborea torrefaccionada se obtuvieron cargas de resistencia a la compresión menores que en los pellets de la biomasa torrefaccionada de D. panamensis. Para esta última ocurre una disminución de la resistencia en compresión con el tiempo de exposición del material a la torrefacción. En ambas especies hubo correlación positiva entre la densidad de los pellets con la resistencia mecánica de compresión. En conclusión, es posible torrefaccionar las maderas de G. arborea y D. panamensis con temperaturas de 200 °C y de preferencia con una duración de 20 min, logrando propiedades adecuadas y alto poder calórico; la especie D. panamensis presenta mejor comportamiento a la torrefacción y peletización que la madera de G. arborea.

Agradecimientos

A la Vicerrectoría de Investigación y Extensión del Tecnológico de Costa Rica por el financiamiento del proyecto de investigación.

REFERENCIAS

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Recibido: 15 de Septiembre de 2015; Aprobado: 08 de Junio de 2016

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