1 UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS “ESPE” MAESTRÍA DE ENERGÍAS RENOVABLES “DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS ENERGÉTICAS DE LA TUSA DE MAÍZ CON VARIACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD, DENSIDAD Y RELACIÓN AIRE- COMBUSTIBLE” RAFAEL ESPINOZA GABRIELA TORRES DIRECTOR: REYNALDO DELGADO VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y VINCULACIÓN CON LA COLECTIVIDAD.
2 ANTECEDENTES Las variedades tradicionales de maíces ecuatorianos constituyen un rico patrimonio de tradiciones agrícolas, alimenticias y poco se ha tomado en cuenta que sus residuos como la tusa poseen también un alto contenido energético desperdiciado. En el Ecuador el maíz se cultiva en todo el país con siembras concentradas en :
3 Región de Sierra: las provincias de Loja, Azuay y Pichincha. Región Costa: en provincias de Manabí, Esmeraldas y Guayas Región Amazónica: en la provincia de Pastaza. (Carrera Carrillo, 2012).
4 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA En el Ecuador, existen investigaciones escasas sobre la cantidad de biomasa producida como desecho en los diferentes cultivos La tusa de maíz, después de desgranar la mazorca su tusa se utiliza como deshecho, fines curativos, cosmética y actividades recreativas.
5 En el Ecuador hay 7,3 Millones de hectáreas destinadas para el cultivo de Maíz con una producción de 1,7 millones de toneladas por año hasta el 2014. (INEN 2014)
6 OBJETIVO GENERAL Determinar las características energéticas de la tusa de maíz con variación del contenido de humedad, densidad y relación aire- combustible
7 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Caracterizar el contenido de humedad de la tusa de maíz 2. Evaluar la influencia de los tres factores de estudio en la obtención del poder calórico de la tusa de maíz. 3. Determinar la combinación óptima de las variables para obtener la mayor eficiencia.
8 ALCANCE En el presente proyecto se estudiará el aprovechamiento eficiente de un recurso biomásico de segunda generación como es la tusa de maíz al reducir su contenido de humedad y variar la densidad de la muestra a experimentar, al igual que la relación aire combustible (cantidad de oxígeno dosificado)
9 DISEÑO EXPERIMENTAL
10 BOMBA CALORIMÉTRICA ADIABÁTICA La medición del PC se realizó en una bomba calorimétrica adiabática Para la calibrar el equipo se utilizó como medida de referencia el PC del ácido benzóico
11 AUTOMATIZACIÓN DE LA TOMA DE DATOS EN BOMBA CALORIMÉTRICA El control de temperatura, se lo realizó mediante sensores analógicos LM35, Una tarjeta Arduino UNO se utilizó como un módulo de adquisición de datos, Se realizó una interfaz gráfica en el software LABVIEW.
12 HUMEDAD Tabla 7. Resultados estadísticos de humedad relacionados con el tipo de tusa TusaVariablenMediaD.E.Var(n-1)MínMáx HúmedaHumedad2138,521,442,0633,0039,00 SecaHumedad2113,713,4912,219,0020,00 El valor de la humedad para tusa seca es del 12% (Martínez 2000)
13 Figura 57. Densidad de puntos de humedad vs. Tipos de Tusa
14 FUERZA DE COMPACTACIÓN Y PRESIÓN Tabla 6. Número de pellets utilizados según la fuerza de compactación
15 FUERZA DE COMPACTACIÓN Y DENSIDAD Compacn Densidad Media (kg/m 3 )D.E.Var(n-1)MínMáxMediana 1T11909,11550,9872599,651843,3621030,977909,599 2T111088,43939,2011536,7561021,7011189,7941083,817 Tabla 11. Resultados estadísticos de la densidad de la pastilla en relación con la presión de compactación. Los pellets con aditivos se comprimen 150 MPa con densidades de 210 kg/m 3
16 PODER CALÓRICO En este proyecto se utilizó como variable respuesta el poder calórico inferior y como factores de estudio la fuerza de compactación (densificación) y cantidad de oxígeno dosificada Se utilizó un análisis bi ‑ factorial aleatorio El análisis estadístico se realizó con Infostat versión libre.
17 PODER CALÓRICO EN RELACIÓN A LA FUERZA DE COMPACTACIÓN (DENSIFICACIÓN) Tabla 12. Resultados estadísticos del poder calórico inferior relacionado con la fuerza de compactación OXÍGENOCOMPAC.VariablenMediaD.E.Va (n-1)MínMáx Medi ana O IGUAL1TPC [kj/g]3216,070,590,3414,7617,0716,07 O IGUAL2TPC [kj/g]3814,830,580,3413,3015,9214,71 O MAYOR1TPC [kj/g]1215,620,360,1314,7616,0215,81 O MAYOR2TPC [kj/g]614,850,630,4013,8815,4914,94 O MENOR1TPC [kj/g]1213,990,270,0713,7214,6613,98 O MENOR2TPC [kj/g]613,710,130,0213,5513,8313,74 El poder calórico obtenido resulta comparable con el reportado por Keener de 15.1 kJ/g (Keener, 1981) r El valor de PCI se incrementó en 8.36% por efecto de la densificación
18 ANÁLISIS DE NORMALIDAD DEL PODER CALÓRICO INFERIOR RELACIONADO CON LA FUERZA DE COMPACTACIÓN. OXÍGENOCOMPAC.VariablenMediaD.E.W*P(Unilateral D) O IGUAL1TPC [kj/g]3216,070,590,940,23 O IGUAL2TPC [kj/g]3814,830,580,940,22 O MAYOR1TPC [kj/g]1215,620,360,840,04 O MAYOR2TPC [kj/g]614,850,630,90,45 O MENOR1TPC [kj/g]1213,990,270,870,10 O MENOR2TPC [kj/g]613,710,130,790,06 Tabla 13. Análisis de normalidad del poder calórico inferior relacionado con la fuerza de compactación P(Unilateral D) en el test de Shapiro Wilks, refleja un comportamiento normal para los dos valores de fuerza de compactación utilizados y para todas las cantidades de oxígeno dosificada,
19 Tabla 14. Análisis de varianza del poder calórico inferior relacionado con la fuerza de compactación ANOVA DEL PCI VS COMPACTACIÓN Para 1Tonelada (n=56) F.V.SCglCMFp-valor OXIGENO37,9221977,470,0000 Para 2 Toneladas (n=50) F.V.SCglCMFp-valor OXIGENO6,6923,3510,750,00014 El p-valor obtenido expresa que la fuerza de compactación es estadísticamente significativa en la obtención del poder calórico
20 O IGUAL F.V.SCglCMFp-valor COMPACTACIÓN26,541 77,630,0000 O MAYOR F.V.SCglCMFp-valor COMPACTACIÓN2,341 10,840,0046 O MENOR F.V.SCglCMFp-valor COMPACTACIÓN0,311 5,480,0325 Tabla 16. Análisis de varianza del poder calórico inferior relacionado con la cantidad de oxígeno dosificada
21 Tabla 15. Prueba de Duncan del PCI en relación a la Fuerza de Compactación Test: Duncan Alfa=0,05 Error: 0,2761 gl: 100 COMPACTACIÓNMediasnE.E. 2T14,47500,11A 1T15,23560,08B
22 PRUEBA DE DUNCAN DE LA RELACIÓN ENTRE EL PODER CALÓRICO Y LA CANTIDAD DE OXÍGENO DOSIFICADA Test: Duncan Alfa=0,05 Error: 0,2761 gl: 100 OXIGENOMediasnE.E. O MENOR13,85180,13A O MAYOR15,24180,13B O IGUAL15,45700,06 B Tabla 17. Prueba de Duncan de la relación entre el poder calórico y la cantidad de oxígeno dosificada Este es un resultado esperado pues al limitar el oxígeno se limita la reacción, por otro lado cuando el oxígeno se encuentra en exceso los valores de PCI son similares, pues la reacción solo toma la cantidad de comburente que necesita aun cuando éste estuviera en exceso
23 PODER CALÓRICO RELACIONADO CON LA FUERZA DE COMPACTACIÓN PCI) es mayor cuando se utiliza una fuerza de compactación menor, para cualquier cantidad de oxígeno dosificada. Figura 59. Gráfico de Cajas: Poder calórico relacionado con la fuerza de compactación
24 Figura 61. Gráfico de cajas: Poder calórico relacionado con la cantidad de oxígeno dosificado GRÁFICO DE CAJAS: PODER CALÓRICO RELACIONADO CON LA CANTIDAD DE OXÍGENO DOSIFICADO Se forman dos grupos estadisticamente significativos: 1. Con O menor al requerido 2. Con O Igual o mayor al requerido.
25 PRUEBA DE DUNCAN DEL PODER CALÓRICO INFERIOR RELACIONADO CON LA FUERZA DE COMPACTACIÓN, CANTIDAD DE OXÍGENO Y EFECTO COMBINADO (A) muestra que para una cantidad de oxígeno insuficiente es indiferente trabajar con una compactación de 1T ó 2T pues, ya que el oxígeno es un reactivo limitante su poder de llenar los espacios intersticiales del pellet también se limita. Efecto Combinado Test: Duncan Alfa=0,01 Error: 0,2761 gl: 100 OXIGENOCOMPACTACIÓNMediasnE.E. O MENOR2T13,7160,21A O MENOR1T13,99120,15A O IGUAL2T14,83380,09 B O MAYOR2T14,8560,21 B O MAYOR1T15,62120,15 C O IGUAL1T16,07320,09 C Tabla 19. Prueba de Duncan del poder calórico inferior relacionado con la fuerza de compactación, cantidad de oxígeno y efecto combinado
26 PRUEBA DE DUNCAN DEL PODER CALÓRICO INFERIOR RELACIONADO CON LA FUERZA DE COMPACTACIÓN, CANTIDAD DE OXÍGENO Y EFECTO COMBINADO (B) revela que si se trabaja con una compactación de 2T, el factor oxígeno igual o mayor es indiferente Efecto Combinado Test: Duncan Alfa=0,01 Error: 0,2761 gl: 100 OXIGENOCOMPACTACIÓNMediasnE.E. O MENOR2T13,7160,21A O MENOR1T13,99120,15A O IGUAL2T14,83380,09 B O MAYOR2T14,8560,21 B O MAYOR1T15,62120,15 C O IGUAL1T16,07320,09 C Tabla 19. Prueba de Duncan del poder calórico inferior relacionado con la fuerza de compactación, cantidad de oxígeno y efecto combinado
27 PRUEBA DE DUNCAN DEL PODER CALÓRICO INFERIOR RELACIONADO CON LA FUERZA DE COMPACTACIÓN, CANTIDAD DE OXÍGENO Y EFECTO COMBINADO El tercer grupo (C) está conformado por los pellets compactados con 1T y cantidad de oxígeno dosificado O MAYOR y O IGUAL. Este grupo se diferencia del grupo B, lo que se interpreta como una acción diferente del oxígeno a diferente compactación. Entre estos tres grupos hay diferencias estadísticamente significativas intergrupales más no intragrupales Efecto Combinado Test: Duncan Alfa=0,01 Error: 0,2761 gl: 100 OXIGENOCOMPACTACIÓNMediasnE.E. O MENOR2T13,7160,21A O MENOR1T13,99120,15A O IGUAL2T14,83380,09 B O MAYOR2T14,8560,21 B O MAYOR1T15,62120,15 C O IGUAL1T16,07320,09 C Tabla 19. Prueba de Duncan del poder calórico inferior relacionado con la fuerza de compactación, cantidad de oxígeno y efecto combinado
28 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES Se obtuvo un poder calórico inferior de 16.07 kJ/g para la tusa con un 13.71% de humedad medido en un pellet compactado con una fuerza de una tonelada (124 MPa), valor que es 8.36% mayor al obtenido con un pellet compactado con una fuerza de dos toneladas (249 Mpa). La humedad estimada en base húmeda de la tusa secada durante un año a condiciones ambientales bajo techo, se redujo de un 38.52% a 13.71%. Con este procedimiento se demostró que este tipo de biomasa puede perder hasta un 65% de humedad sin necesidad de utilizar energía adicional de secado lo que favorece la eficiencia total del proceso.
29 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES La densidad de los pellets es proporcional a la fuerza de compactación utilizada, se obtuvieron valores de 909.115 y 1088,439 Kg/m 3 para 1T y 2T respectivamente. El valor de poder calórico inferior obtenido al utilizar una fuerza de una tonelada para compactar el pellet fue de 16.07 kJ/g comparado con 14.83 kJ/g que se obtuvo al compactar el pellet con dos toneladas.
30 RECOMENDACIONES La biomasa representa una alternativa importante como recurso energético. El Ecuador posee abundante fuentes de residuos sólidos agrícolas tales como cáscara de cacao, cáscara de banano y cáscara de frutas que se podrían utilizar como fuentes de energía por lo cual se debería promover proyectos de investigación al respecto. Puesto que los resultados de la fuerza de compactación sobre el poder calórico obtenido en este proceso revelan que existe una relación inversa sería recomendable realizar un estudio más extenso para evaluar este comportamiento.
31 RECOMENDACIONES … Realizar un estudio energético de la tusa de maíz para diferentes variedades y buscar modificaciones genéticas para incrementar el poder energético de esta especie. Existe otro factor importante no considerado en este estudio que es el tamaño de partícula obtenido después de la molienda de la tusa, se recomienda investigar este factor para ver su influencia en el poder calórico.
32 GRACIAS POR SU ATENCIÓN