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Scientia et Technica Ao XIII, No 37, Diciembre de 2007. Universidad Tecnolgica de Pereira. ISSN 0122-1701 255

Fecha de Recepcin: 07 Septiembre de 2007Fecha de Aceptacin: 30 Octubre de 2007

ANLISIS COMPARATIVO DE LAS CARACTERSTICAS FISICOQUMICAS DE LACASCARILLA DE ARROZ.

Comparative analysis of the Fhysicochimicals Characteristics of the rice husk.

RESUMENEn este estudio se hace un anlisis comparativo de las principales propiedadesfisicoqumicas de la cascarilla de arroz obtenida por investigaciones realizadasen las universidades de Canad, California, RP China y de Ibagu Colombia,como punto de partida para la realizacin del proyecto de transformacin de labiomasa arrocera en energa elctrica y trmica.

Se concluye que existe una igualdad entre los rengos de las caractersticasfisicoqumicas de la cascarilla de arroz para regiones tan distantes y diferentescomo China, Canad, Estados Unidos y Colombia; y que en ellas lastemperaturas de oxidacin alcanzada es del orden de 1200K, liberando alrededordel 67% del valor calrico en la etapa dominante de la combustincorrespondiente a la combustin de los voltiles.

PALABRAS CLAVES: Cascarilla de arroz, Caractersticas, Energa,Fisicoqumicas.

ABSTRACTIn the present work it has made a comparative analysis of the main

physicochemical properties of the rice husk..These properties were the result of

investigations made in universities of Canada, USA, China R.P. and Colombia (

universities of Ibagu).

These properties contributed elements to carry out a proyect to transform the

biomass of the rice into electrical and thermal energy.

There is an equality in the properties of the rice husk, not concerning the originplace ( Canada, USA, China R.P, Colombia) the temperature of oxidation

obtenined is near to 1200 K, there it is free approximately 67% of the caloric

value in the dominant stage of the combustion, corresponding to the combustion

of volatile material.

KEYWORDS:rice husk characteristics, energy, fisicoqumicas

AGUSTIN VALVERDE G.Ingeniero Mecnico, M. Sc.Director grupo de investigacin enEficiencia Energtica y MedioAmbiente GEMA.Universidad de Ibaguagustin.valverde@unibague.edu.co

BIENVENIDO SARRIA L.Ingeniero Mecnico, Ph.D.Centro de Estudio de Energa yMedio Ambiente CEEMAUniversidad de Cienfuegos Cuba.

Bslopez2000@yahoo.es

JOS P. MONTEAGUDO Y.Ingeniero Mecnico. Ph.D.Centro de Estudio de Energa yMedio Ambiente CEEMA.Universidad de Cienfuegos Cubapmyanes@yahoo.es

1. INTRODUCCIN

La cascarilla de arroz es un tejido vegetal constituido porCelulosa y Slice, elementos que ayudan a su buenrendimiento como combustible. El uso de la cascarilla

como combustible representa un aporte significativo a lapreservacin de los recursos naturales y un avance en eldesarrollo de tecnologas limpias y econmicas en laproduccin de arroz uno de los principales cereales denuestra canasta familiar.

La cascarilla de arroz presenta una gran variedad decaractersticas fisicoqumicas que es preciso estudiar,segn la aplicacin que se desee darle. El contenido dehumedad, la composicin qumica y el poder calorficode la cascarilla son aspectos que hay que conocer para la

construccin y el funcionamiento de hornos y hogaresmecnicos que son los ms adecuados para la quema eincineracin de este subproducto agrcola.

2. ANLISIS APROXIMADO DE LA

CASCARILLA DE ARROZ

La composicin inmediata de una sustancia es elcontenido (porcentaje en masa) de carbono fijo, voltiles,humedad y cenizas, en la tabla 1 y 2 se muestra elanlisis prximo de la cascarilla de arroz. Los voltilestienen un papel importante durante la ignicin en lasetapas iniciales de la combustin de la biomasa. Tanto enel caso de la composicin elemental como de lacomposicin inmediata se debe determinar la humedadde la muestra.

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Tabla 1. Anlisis prximo de la cascarilla de arroz en diferentesVariedades y por diferentes pases.

En la tabla 1, se observa claramente que el porcentaje decarbono fijo se encuentra entre 12.40 25.10%, Lascenizas entre 16.92 24.6 % y el material voltil entre51.98 67.7 % [1] para las diferentes variedadesutilizadas . El anlisis prximo de la cascarilla

colombiana tabla 2, est dentro de los rangos encontradosa nivel mundial, teniendo mucha similitud con los

resultados obtenidos por la Universidad de California [2].

Elemento %

Carbono fijo 16.67

Cenizas 17.89

Voltiles 65.47

Tabla. 2 Anlisis Prximo de la cascarilla de Arroz enColombia

3. ANLISIS LTIMO (ELEMENTAL) DE LACASCARILLA DE ARROZ.

La composicin elemental de una sustancia combustiblees su contenido (porcentaje en masa) de carbono (C),hidrgeno (H), azufre(S), oxgeno(O), nitrgeno(N),humedad (W) y cenizas o material residual (A). Es lacaracterstica tcnica ms importante del combustible yconstituye la base para los anlisis de los procesos decombustin, entre ellos: clculos de volmenes de aire,gases y entalpa.

Las siguientes composiciones elementales de la cascarillade arroz se basan en los diferentes porcentajes de

humedad analizadas en estudios previos.

La composicin elemental del combustible Tabla 3,expresa el por ciento en masa de Carbono, Hidrgeno,Oxgeno, Nitrgeno, Cenizas y Humedad y se puedereferir a: Masa de trabajo Masa analtica (Sin humedad externa) Masa seca (Sin humedad) Masa Combustible (Sin humedad y cenizas).

Los resultados obtenidos en la tabla 3 muestran lossiguientes rangos de variabilidad para cada elemento:Carbono 37.6- 42.6 %; Hidrgeno 4.7 5.78; Oxgeno31.37 37.62; Nitrgeno 0.38 1.88; Azufre 0.01 0.18; Cenizas 16.93 24.6, con un poder calrico entre13.24 - 14.22 Mj / Kg [1] .

El anlisis de la cascarilla de arroz presentado en la tabla4 est dentro de los rangos encontrados a nivel mundial[2] excepto los porcentajes de azufre y nitrgeno que seencuentran por fuera, teniendo en cuenta que el anlisisa nivel mundial se realizo en base seca y el de Colombiacon diferentes porcentajes de humedad

El contenido de humedad de la cascarilla de arroz cuandosale del descascarador varia entre 5 y 40%, luego deestar expuesta a la intemperie, en poca no lluviosa, lahumedad promedio de la cascarilla estaaproximadamente entre el 8 y 15%. El contenido dehumedad de la biomasa es la relacin de la masa de aguacontenida por kilogramo de materia seca. Para la mayora

de los procesos de conversin energtica esimprescindible que la biomasa tenga un contenido dehumedad inferior al 30%. Muchas veces, los residuossalen del proceso productivo con un contenido dehumedad muy superior, que obliga a implementaroperaciones de acondicionamiento, antes de ingresar alproceso de conversin de energa.

Tabla 3. Anlisis ltimo de la Cascarilla de arroz a nivelMundial

Canad

California

China

Parmetros V1 V2 V3 V4 Vi VT V1

Material Volatil 66,40 67,30 63,00 67,70 63,52 65,47 51,98

Carbono Fijo 13,60 13,90 12.40. 14,20 16,22 45,86 25,10

Ceniza 20,00 18,80 24,60 18,20 20,26 48,67 16,92

Total 100,0 100,0 100,0 100,0 100,00 100,0 100,00

Canad California China

Parmetrosv1 v2 v3 v4 Vi VT V1

C 37,60 42,10 38,70 42,60 38,83 38,24 37,60

H 5,42 4,98 4,70 5,10 4,75 5,20 5,78

O 36,56 33,66 31,37 33,44 35,47 36,26 37,62

N 0,38 0,40 0,50 0,51 0,52 0,87 1,88

S 0,03 0,02 0,01 0,02 0,05 0,18 0,09

Cl 0,01 0,04 0,12 0,13 0,12 0,58 0,00

Ceniza 20,00 18,80 24,60 18,20 20,26 18,67 16,93

Total 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0Poder

calricoMj/Kg.

14,22 13,24 13,40 14,12 - - 13,40

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Cascarilla de arroz

Humedad C H O N S Cenizas

8.6 42.5 6.0 36.2 0.21 0.49 14.6

8.9 39.1 5.2 37.2 0.27 0.43 17.8

9.4 33.4 4.3 38.5 0.38 0.32 23.1

Tabla 4. Composicin elemental de la cascarilla de arroz a

diferentes % de humedad en Colombia

El porcentaje de cenizas indica la cantidad de materiaslida no combustible por kilogramo del material. En losprocesos que incluyen la combustin de la biomasa, esimportante conocer el porcentaje de generacin de cenizay su composicin, pues en algunos casos, est puede serutilizada, por ejemplo; la ceniza de la cascarilla de arrozcomo aditivo en la mezcla de concreto o para lafabricacin de filtros de carbn activado entre otros.

El poder calorfico por unidad de masa Tabla 5 es elparmetro que determina la energa disponible en la

biomasa[3]. Su poder calrico esta relacionadodirectamente con su contenido de humedad. Un elevadoporcentaje de humedad reduce la eficiencia en lacombustin debido a que una gran parte del calorliberado se usa para evaporar el agua y no se aprovechaen la reduccin qumica del material.

CONTENIDO DE

HUMEDAD

PODER

CALORFICO

INFERIOR (PCI)

kj/kg

0 19880

10 17644

20 15412

30 13180

40 10947

50 8715

60 6413

Tabla 5 Poder calorfico inferior de la cascarilla dearroz en funcin del contenido de humedad.

4. COMPOSICIN FSICO- QUMICA

En la tabla 6 y 7, se hace mencin a algunascaractersticas que han sido obtenidas medianteinvestigaciones previas de fuentes fiables, obteniendoparmetros comunes para la evaluacin de la cascarilla dearroz,. El alto contenido de slice demostrado hace que suuso alimenticio en harinas para animales sea limitado.Uno de los elementos que apropia la combustin decascarilla de arroz es la celulosa (C6H10O5)n siendo el

componente principal de las fibras de este subproductoagrcola.

Canada California China

Parmetros v1 v2 v3 v4 Vi V2 V1

Celulosa 29,20 33,47 25,89 35,50 - - -

Hemicelulosa 20,10 21,03 18,10 21,35 - - -

Lignina 20,00 18,80 24,60 18,20 - - -

Tabla 6 Caractersticas Qumicas de la cascarilla de arroz anivel Mundial

Los rangos obtenidos para el anlisis qumico a nivelmundial corresponden a los siguientes:La celulosa 25.89 35.5 %; Hemicelulosa 18.1 21.35% y la Lignina 18.20 24.6 % [1]. presentados en latabla 6.

La composicin qumica de la cascarilla colombianapresenta un porcentaje de celulosa un poco mayor lo quees muy bueno por su aporte en la combustin [4]Tabla 7,pero la Lignina se encuentra dentro del rango obtenido anivel mundial.

La lignina cuando es sometida a altas temperaturasdesarrolla una propiedad aglomerante en la cascarilla dearroz, transformndola en una pasta slida "Grumo decascarilla al rojo vivo" difcil de romper.

Tabla 7. Anlisis Qumico de la composicin de la cascarillade arroz en Colombia.

5. COMPOSICIN QUMICA DE LA CENIZA DECASCARILLA DE ARROZ

Entre los porcentajes ms relevantes de la composicinqumica de la cascarilla de arroz se encuentran lascenizas, siendo la slice la principal composicin que nosufre disociacin al quemarse, esto hace que se presenteuna difcil combustin continua y completa.

Aunque la cascarilla es muy utilizada hoy en da comofuente calorfica, requiere de mecanismos de aceleracinpara que se lleve a cabo una ptima combustin, entreellos se cuenta los medios mecnicos que permitenobtener un bajo porcentaje de inquemados, en las tablas 8

ELEMENTO PORCENTAJE (%)

Fibra (Celulosa) 39.05

Lignina 22.80

Protenas 3.56

Extracto no Nitrogenado 6.60

Extracto con ter 0.93

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y 9 observamos la composicin mineral de la decascarilla de arroz [1][5]. . .

Por otro lado, materiales con baja densidad aparentenecesitan mayor volumen de almacenamiento ytransporte, algunas veces, presentan problemas para fluirpor gravedad, lo cual complica el proceso de combustin,y eleva los costos. Las condiciones para recoleccin, eltransporte y el manejo en planta de la biomasa sonfactores determinantes en la estructura de costos deinversin y operacin en todo proceso de conversinenergtica. La ubicacin del material con respecto a laplanta de procesamiento y la distancia hasta el punto deutilizacin de la energa convertida, deben analizarsedetalladamente para lograr un nivel de operacin delsistema por encima del punto de equilibrio, con relacinal proceso convencional o de uso de combustibles norenovables.

5.1 Punto de fusin y ensuciamiento de la ceniza de la

cscara de arroz.

El punto de fusin de las cenizas y el nivel deensuciamiento son dos factores bsicos a los que se lesdebe prestar especial atencin al disear y durante laexplotacin de los sistemas de combustin que utilizanbiomasa como combustible. Ambos aspectos, fusin yensuciamiento, dependen de la composicin qumica dela ceniza la cual vara de un residuo a otro, como sepuede apreciar en la tabla 8 y 9.

CaliforniaParmetros

Vi Cscara V2Tallo

S1O2 91,42 74,62

Al1O2 0,78 1,04

T1O2 0,02 0,09

Fe2O3 0,14 0,85

CaO 3,21 3,01

MgO < 0.01 1,75

Na2O 0,21 0,96

K2O 3,71 12,30

SO3 0,72 1,24

P2O5 0,43 1,41

Total 100,00 100,00

Tabla 8. Composicin mineral de las cenizas de cascarilla dearroz a nivel mundial

ELEMENTO COMPOSICIN %

(K2O) Oxido de Potasio 1.10

(Na2O) Oxido de Sodio 0.78

(CaO) Oxido de Calcio 0.25

(MgO) Oxido de Magnesio 0.23

(SO4) Sulfatos 1.13

(SiO2) Slice 96.51

Total 100,00

Tabla 9 Composicin mineral de ceniza en la cascarilla de arrozen Colombia.

5.2 Punto de fusin

Como consecuencia del empleo de los Fertilizantes enlos cultivos de la agricultura, la mayora de los residuosagrcolas tienen en sus cenizas contenidos elevados dexidos de Potasio (K2O).

Los xidos de potasio tienen un punto de fusin

relativamente bajos y en la medida que aumenta suproporcin, el valor de la temperatura de fusindisminuye. Sin embargo, la ceniza de la cscara de arrozse caracteriza por tener un bajo contenido de xidos depotasio K2O = 3.71 %, pero la ceniza del Tallo de laplanta de arroz tiene un mayor contenido de xidos depotasio K2O = 12. 30 %.

Por otro lado, la ceniza obtenida al quemar tanto lacscara como el tallo de arroz, tienen un alto contenidode xidos de slice SiO2 = 91.42 y 74.67 %,respectivamente. El punto de fusin del xido de silicioes relativamente alto (1450 oC).

Por estas razones lo normal es que al quemar cscara dearroz no deben presentarse los problemas de laescorificacin por bajo punto de fusin de sus cenizas yalgunas investigaciones plantean [1][6] que latemperatura de fusin de la ceniza de la cscara de arrozest alrededor de los 1500 oC, siendo un poco menor parala ceniza de los tallos al tener estos mayor contenido decompuestos alcalinos.

5.1.2 Ensuciamiento.

El termino ensuciamiento se refiere a los depsitos que seacumulan sobre la superficie de transferencia de calorcon las cuales se ponen en contactos los gases de lacombustin. El ensuciamiento frecuentemente se asocia,en sentido general, con la reduccin de la velocidad detransferencia de calor y la corrosin.

Al quemar la cscara de arroz lo usual es que se produzcauna ceniza muy fina, la cual es fcilmente arrastrada,fuera de la cmara de combustin, con los gasesproducidos. Esta ceniza puede ser separada y colectadamediante el empleo de ciclones separadores o filtros demanga.

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El ndice de lcali se utiliza para evaluar la tendenciade los combustibles a producir ensuciamiento cuando sequeman. Este ndice relaciona la masa de xidosmetlicos (K2O ms Na2O), presentes en la ceniza conlos generados trmicamente. Algunos investigadoressealan que[1][[7]:

Para indice de alcali mayor que 0.17 Kg/GJ elensuciamiento es probable.

Para indice de alkali por encima de 0.34 kg/GJes casi seguro que ocurra ensuciamiento.

ndice de Alcali, Kg/GJ Material

1.75 Corteza de almendra1.64 Tallo de arroz1.10 Paja de trigo0.50 Cscara de arroz0.07 Carbn bituminoso

El ndice de Alcali, puede ser til como una

indicacin de los problemas que se tendrn con laceniza.Esto fundamenta el criterio que al quemar la cscara paraproducir el calor del Proceso de Secado del grano, susgases no se pueden poner en contacto directo con el arrozcscara pues lo puede contaminar.

El alto contenido de ceniza de la cascarilla de arroz y lascaractersticas de su ceniza imponen severosrequerimientos sobre el diseo de los sistemas decombustin.

6. EFECTOS DEL ALTO CONTENIDO DE

MATERIA VOLTIL EN LA COMBUSTIN DELA CASCARILLA DE ARROZ

En cualquiera de las formas en que se encuentran losresiduos agrcolas (pacas, briquetas) se requiere tener unprofundo conocimiento de los mecanismos de lacombustin.

Alta eficiencia de la combustin. Diseo efectivo del sistema. Operacin efectiva.

Una partcula simple de un combustible slido durante sucombustin est sometida a diferentes eventosinterrelacionados entre s, los cuales son:

Calentamiento.

Secado.

Desvolatilizacin.

Combustin de los voltiles y el char.

La informacin fundamental que se necesita saber acercade las caractersticas de la combustin de los residuosagrcolas son:

Temperatura a la cual comienza ladesvolatilizacin.

Temperatura de inicio de la combustin delchar.

Influencia del secado sobre el proceso dedesvolatilizacin.

La composicin de los productos de ladesvolatilizacin.

El efecto de la liberacin y combustin de losvoltiles sobre el proceso de combustin total(global).

La cascarilla de arroz tiene un elevado contenido demateria voltil, en comparacin con los carbones, comose puede observar en su anlisis aproximado. Por otrolado, los resultados de los Anlisis Termogravimtricos[1][[2], al estudiar la cintica de la combustin de lacscara de arroz revelan que, en el intervalo detemperatura entre los 200 y 300 oC las partculas sufren

una considerable prdida en masa correspondindose conla liberacin y combustin de los compuestos voltiles.Entre los 300 y 530 oC se produce la combustin delchar, sinobservarse cambios apreciables en la prdida depeso de las part culas.

Tabla 10. Variacin de los voltiles de la cscara de arroz, conla temperatura

Durante el Proceso de Desvolatilizacin las partculasestn sometidas a la descomposicin trmica con lasubsiguiente liberacin de los compuestos voltiles y a laformacin de los alquitranes y el char. La cantidad deestos compuestos depende de la composicin y de lascondiciones de operacin. Se ha observado que con el

aumento de la temperatura, el contenido de CO2 decreceincrementando los valores de H2, CO y CH4 , presentesen los compuestos voltiles [1][[2]. En la tabla 10 semuestra la evolucin de estos compuestos gaseosos de lacascarilla de arroz, al variar la temperatura Losconstituyentes gaseosos combustibles (H2, CO, CH4)pueden llegar a representar ms del 70 80 % envolumen, a altas temperaturas.

TemperaturaoC

Compuesto %

H2 CO CO2 CH4

400 1 38 47 14

500 4 33 46 17

600 13 37 25 25

700 20 38 20 25

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Nomenclatura Utilizada

V1, V2, V3,V4 = Variedades de cascarilla de arroz.

VT= Tallo de cascarilla de arroz.

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

En estudios realizados por las universidades de Canad,California, RP China y de Ibagu Colombia, se describeque la cascarilla de arroz cuando se oxida alcanza por lomenos 1223 K, presentando los residuos como cenizacarbonizada.

Las propiedades fisicoqumicas de la cascarilla de arrozen el Departamento del Tolima est entre los rangos quese manejan a nivel mundial.

La cascarilla de arroz y otros residuos agrcolas secos,alcanzan rpidamente la temperatura de ignicin, cuandoentran ala cmara de combustin.

La etapa dominante de la combustin de la cascarilladonde se libera alrededor del 67 % del valor calrico esla combustin de los voltiles.

Al quemar cascarilla de arroz se debe tener un controlsobre la temperatura de fusin de la ceniza la cual nodebe sobrepasar los 1500C, para evitar el ensuciamientode las paredes internas del horno y la corrosin.

Es muy probable que al quemar cascarilla de arroz seproduzcan problemas de ensuciamiento, avalado por elndice de lcali yporque adems esta posee un 20 % decontenido de ceniza, el cual es alto en comparacin conotros residuos.

Los sistemas deben disearse para minimizar el arrastrede ceniza en la corriente de gases y la erosin de loscomponentes, a su paso a travs de los tubos de la calderay los intercambiadores de calor.

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