El documento describe la utilización de biomasa como combustible alternativo en hornos cementeros. Define la biomasa y cómo se clasifica, caracteriza y cuantifica su potencial. Explica que la humedad, composición química, densidad y poder calorífico son parámetros críticos para su comportamiento en el horno. Finalmente, analiza cómo la sustitución parcial de carbón por biomasa afecta la producción de clínker y gases del horno.

1. Utilización de Biomasa como
Combustible Alternativo en Hornos
Cementeros
Fernando Rojas Venegas

2. Índice Página
Introducción 3
Definición 4
Clasificación 5
Estados Típicos 6
Potencial Biomásico
Caracterización
7
8
Humedad 10
Composición química 11
Poder calórico 12
Densidad 13
Tamaño y forma 14
Comportamiento horno
cementero
16

3. HORNO
CEMENTERO
POTENCIAL CARACTERIZACIÓN
CLASIFICACION
DEFINICIÓN
BIOMASA
•Introducción
El uso de biomasas como combustible
alternativo en un horno de cemento es una
práctica común en la industria. Sin embargo, se
considera necesario tener presente
consideraciones básicas e importantes para
lograr el éxito operativo.
A continuación se presenta la información
pertinente para comprender al comportamiento
de esta fuente energética en el horno, para lo
cuál se parte de su comprensión, qué es?
Cómo se clasifica y caracteriza ?, asÍ como el
potencial disponible ya que el volumen
determina el factor de escala del sistema y los
procesos auxiliares que se requieren para su
manejo; mientras que el tipo y las
características de la biomasa determinan los
tratamientos previo y posterior requeridos.
Los efectos colaterales de su uso en el proceso
mismo de calcinación y las modificaciones en
los parámetros químicos del clínker son
ejemplificados detalladamente.

4. • Definición
Materia orgánica natural, formada por carbono e hidrógeno principalmente, con
enlaces carbono carbono y carbono hidrógeno. Puede tener presente oxígeno, nitrógeno,
silicio, azufre, fósforo y halógenos.
Proviene de los seres que viven en los ecosistemas de la tierra. Es un conjunto
heterogéneo de materiales..
Se forma por vía biológica o de productos derivados de ella. Su origen puede ser
animal, vegetal, o microbiano, pero siempre en un proceso biológico.
Su concentración en el medio se mide en peso por unidad de superficie o volumen.
Tiene la particularidad que puede emplearse como fuente energética. La energía de la
biomasa en primera instancia proviene de la luz solar, fijada en las células.
En el caso de plantas mediante procesos fotosintéticos o ciclos metabólicos en los
animales. Esta energía está presente en los enlaces moleculares. Esto es, la energía solar
se transforma en energía química. Esta se acumula en diferentes compuestos orgánicos
(polisacáridos, grasas) se incorpora y transforma por los seres vivos.
Cuando la biomasa se somete a procesos de combustión ( oxidación ) la energía se
libera al romper los enlaces de los compuestos orgánicos, dando como productos finales
anhídrido carbónico y agua.
La connotación energética define a la biomasa como:
“.. toda la materia orgánica que proviene de árboles, plantas y desechos
de animales que pueden ser convertidos en energía; o las provenientes de la
agricultura (residuos de maíz, café, arroz, macadamia), del aserradero (podas,
ramas, aserrín, cortezas) y de los residuos urbanos (aguas negras, basura orgánica
y otros)…”
Manuales sobre energía renovable: Biomasa/ Biomass
Users Network (BUN-CA). -1 ed. -San José, C.R. :
Biomass Users Network (BUN-CA), 2002.
42 p. il. ; 28x22 cm.
ISBN: 9968-904-02-3
1. Energía Renovable. 2. Recursos Energéticos -
América Central. 3. Conservación de la Energía.
4. Desarrollo Sostenible. I. Título

5. estructuras
moleculares
Carbohidratos lípidos prótidos
lignocelulósica amilácea
azucaradaoleaginosa
Industrial
Origen
Estado
Fuente
Natural Residual
Sólido Líquido Gaseoso
Agrícola Forestal Cultivo energético otros
Herbácea
Leñosa
Agrícola
Maderero
Biomasa
• Clasificación

6. Manuales sobre energía renovable: Biomasa/ Biomass
Users Network (BUN-CA). -1 ed. -San José, C.R. :
Biomass Users Network (BUN-CA), 2002.
42 p. il. ; 28x22 cm.
ISBN: 9968-904-02-3
1. Energía Renovable. 2. Recursos Energéticos -
América Central. 3. Conservación de la Energía.
4. Desarrollo Sostenible. I. Título
• Estados típicos

7. • Potencial del recurso biomásico
El potencial es la cantidad de energía química del
combustible que puede ser transformada en energía
térmica. Es función directa de los factores:
•Cantidad de biomasa disponible en el entorno
•Poder calorífico
•Propiedades químicas
Es necesario conceptualizar el recurso desde sus
componentes
•potencial: Todos los existentes en una zona sin
tener en cuenta otros usos de los mismos
•disponible: Recurso potencial menos los
destinados a usos previamente establecidos y
aquellos que por diversas razones (propiedad,
medioambientales, etc.) no pueden ser utilizados
•utilizable: El disponible que pueden ser
recolectados de forma técnica y
económicamente viable.
Recurso
utilizable
Recurso disponible
Recurso potencial

8. • Caracterización •
Energéticos
Químicos
Físicos
densidad humedad granulometría disponibilidad
análisis elemental Análisis inmediato Análisis de compuestos
Poder calórico
Parámetros
Mediante el uso de tres clases de parámetros:
•Físicos
•Químicos
•Energéticos
Se obtiene la información necesaria para:
•Selección y diseño de equipos (manejo físico del producto )
•necesidad de transformaciones adicionales para su uso final
•comportamiento de la biomasa en los procesos químicos y termoquímicos cuyo fin es conseguir la generación de
energía o la síntesis de nuevas sustancias
•Evaluación de la biomasa como combustible

9. • Caracterización •
– Volumen y tipo de biomasa: el volumen determina el factor de escala del sistema y los procesos auxiliares;
mientras que el tipo y las características de la biomasa determinan los tratamientos previo y posterior
requeridos.
Humedad
Tamaño y forma
Densidad
Poder calórico
Contenido cenizas
Composición química
Biomasa
Manejo, costos y energía neta
Cinética de combustión y cenizas
Manejo, transporte y cinética de combustión
Efectos de transporte, costos
Eficiencia energética
Modificaciones de proceso

10. • Caracterización Humedad
El agua presente en la biomasa es el factor más crítico.
Por parámetro energético
• Determina la energía que se puede obtener por medio de la
combustión. ( se necesita calentar y evaporar el agua antes de
que el calor esté disponible )
• Cuanto más alto el contenido de humedad, menor el valor
calorífico.
En la biomasa los niveles de humedad pueden ser altos,
afectando su poder calórico neto y el proceso de combustión
directamente.
Por parámetro físico
• Modifica la densidad de la biomasa
• Influye importante en los pretratamientos de la biomasa:
•Molienda o astillado: si aumenta la humedad incrementa el
gasto de energía
•Humedad alta produce obstrucción de tamices, tolvas y
cribas
•Humedad baja produce excesos de polvo y posibilidad de
autoignición
La humedad es función de:
•tipo de biomasa
•lapso cosecha / uso
•humedad ambiental.
Seguido a la cosecha, se establecerá una pérdida de
humedad progresiva hasta llegar a equilibrio con la condición
ambiental.
En hornos no cementeros cuando la biomasa tiene una
humedad alta, la temperatura de combustión no es suficientemente
elevada como para completar las reacciones químicas. En hornos de
cemento “secuestra energía” del combustible primario.
Leach, Gerald and Marcia Gowen (1987). “Household energy
handbook, an interim guide and reference
manual”. World Bank Technical Paper 67, World Bank, Washington,
USA

11. • Caracterización Composición Química
RWEDP (2002). “Wood energy basics”. Regional Wood Energy Development. Programme in
Asia, Bangkok,
Thailand. Disponible en http://www.rwedp.org.

12. RWEDP (2002). “Wood energy basics”. Regional Wood Energy Development.
Programme in Asia, Bangkok,
Thailand. Disponible en http://www.rwedp.org.
• Caracterización Poder calórico
El poder calorífico
aprovechable de la
biomasa es función de su
composición, elemental
orgánica, del contenido
de ceniza pero
principalmente de la
humedad.
Partiendo del análisis
elemental se puede
estimar el contenido
energético bruto de una
biomasa seca, según la
fórmula adjunta (Fórmula
de Milne)
kcal/kg =(0,341*C+1,322*H-0,12*O-0,12*N+0,0686*S-0,0153*Z)*239,005736*100
C, H, O, N, S, Z: son las fracciones en masa para carbono,
hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y cenizas

13. •peso por unidad de volumen del material
en el estado físico condiciones dadas.
• Combustibles
• con alta densidad aparente
• favorecen la relación de energía
por unidad de volumen.
•requiriéndose menores tamaños
de los equipos y aumentando los
períodos entrecargas.
•baja densidad aparente
•necesitan mayor volumen de
almacenamientoy transporte
•presentan problemas para fluir
por gravedad,
•complicando el proceso
decombustión,
•eleva los costos del proceso
• Caracterización densidad
Densificación
compactar la biomasa en
“briquetas”, para optimizar
•utilización,
•almacenamiento y
•transporte.

14. • Caracterización tamaño y forma
Previo a que la biomasa pueda ser usada para fines energéticos, debe ser convertida en una forma más
conveniente para su transporte y utilización.
Densificación:
proceso de compactar la biomasa en “briquetas”, para facilitar su
utilización,almacenamiento y transporte.
Producción de carbón vegetal:
es la conversión termo-química a temperatura mediana. La biomasa se quema con
una disponibilidad restringida de aire, combustión incompleta.
Gasificación:
pirólisis con mayor proporción de oxígeno a mayores para obtener“gas pobre”,
(monóxido de carbono, hidrógeno y metano)
Digestión anaeróbica:
la digestión de biomasa humedecida usando bacterias en medio anaeróbico para
producir biogás (metano ,dióxido de carbono).
Combustibles alcohólicos:
fermentación de azúcares o por la destilación destructiva de madera.
Biodiesel:
se compone de ácidos grasos y ésteres alcalinos, obtenidos de aceites vegetales,
grasa animal y grasas recicladas. Se usa “transesterificación”, los aceites derivados
orgánicamente se combinan con alcohol (etanol o metanol) y se alteran
químicamente para formar ésteres grasos

15. A k
B
• Caracterización tamaño y forma
Análisis Térmico
-
20
40
60
80
100
120
0 200 400 600 800 1000
temperatura(C)
%peso
zona 1
zona 2
Tamaño y forma
Biomasa
Manejo, transporte y
cinética de combustión
dX/dt = k(1-X)^n
k=Z ė (-Ea/RT)
Ea(kJ/mol) Ea(kJ/mol) Z(1/min) Z(1/min)
zona1 zona2 zona1 zona2 zona1 zona2 zona1 zona2
425 μm 1.18 mm 425 μm 1.18 mm
BAGAZO 98 67 77 67 1,86E+07 6,22E+04 2,68E+05 7,17E+03
ASERRIN 44 147 43 97 3,65E+02 6,57E+10 1,82E+02 1,12E+05

16. • Comportamiento horno cementero
Se analiza el efecto de uso de
biomasa en un horno, cuyo
combustible base es carbón
mineral, con las
características adjuntas y la
curva operativa ilustrada
Capacidad máxima actual de vti es 552 000 m3a/h.
Sólo usando carbón se generan 545500m3a/h

17. Pc promedio bruto 4.455,96 kcal/kg Base seca
Std dev 495
kcal/kg
Utilizando la información
del análisis elemental,
presentado para
diferentes biomasas, en
caracterización química y
mediante la
caracterización por poder
calorífico, se estima que
una biomasa promedio
tiene las siguientes
características:
•Pc bruto 4456 kcal/kg
•8,33 kg de gas
combustión/kg biomasa
•Requerimiento para
combustión 1,31kg de
oxígeno/kg biomasa
Base seca %C %H %N %O %S %Z Σ
promedio 47,41 5,58 0,35 41,26 0,05 5,36 100,
Std dev 4,64 0,46 0,21 3,47 0,03 5,76
PRODUCTOS DE COMBUSTION COMPLETA (kg/kg BIOMASA)
CO2 S02 H2O N205 O2 TOTAL
CARBONO 1,738
AZUFRE 0,001
HIDROGENO 0,503
NITROGENO 0,014
OXIGENO 0,413
NITROGENO ASOCIADO 4,161 0,002 1,471 0,033 - 8,334
AGUA ASOCIADA -
OXIGENO REQUERIDO 1,264 0,000 0,447 0,010 (0,413) 1,309
Composición química
Biomasa

18. Relación de gasificación entre carbón y biomasa
-
100.000
200.000
300.000
400.000
500.000
600.000
700.000
800.000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
producción de ck (tm/día)
flujodegases(m3act/h)
carbón
biomasa
capacidad de
arrastre actual vti
%carbon % biomasa m3/h gases
La curva de gasificación para la biomasa
genérica, en base seca, se desplaza por
encima y hacia la izquierda que la del
combustible base. Esto nos indica que se
trata de un combustible de sustitución
parcial y que se debe aprovechar el
incremento de arrastre de gases para poder
lograrla.
El escenario de sustituciones mayores
implicaría afectación al rendimiento
productivo
Poder calórico
Biomasa

19. Relación de flujo total de gases y biomasa utilizada
y = 98340x + 544386
542.000
544.000
546.000
548.000
550.000
552.000
554.000
556.000
558.000
560.000
0% 5% 10% 15% 20%
biomasa utilizada
m3A/h
biomasa
seca
la capacidad de sustitución se determina, manteniendo el mismo régimen de
productividad, como el flujo máximo de gases de combustión que el sistema
puede manejar con la infraestructura actual
Nivel de sustitución
Biomasa

20. Relación de flujo total de gases y biomasa utilizada en
función de humedad
542.000
544.000
546.000
548.000
550.000
552.000
554.000
556.000
558.000
560.000
0 2 4 6 8 10
%biomasa
m3A/h
70%
60%
50%
40%
20%
biomasa
seca
Cada punto porcentual de
humedad reduce el poder
calórico aprovechable en más de
53 kcal/kg, o sea 1,2% de pc en
base seca
El efecto de la humedad sobre la
capacidad de sustitución, merma
la posibilidad de sustitución
plena (base seca)
Humedad
Biomasa

21. Contenido cenizas
Composición química
Biomasa
Base seca %C %H %N %O %S %Z Σ
promedio 47,41 5,58 0,35 41,26 0,05 5,36 100,
Std dev 4,64 0,46 0,21 3,47 0,03 5,76
Para el caso de una biomasa genérica, cuyos valores promedio de composición se muestran, se nota
que la mayor dispersión radica en el contenido de cenizas. En este sentido, el mejor caso para estudiar
es la cascarilla de arroz, cuyo contenido de ceniza está en el orden del 20% en peso (con más de 90%
de sílice activa), lo que significa muy lejos del promedio. Tanto la composición química de la ceniza,
como el contenido de volátiles de la cascarilla, son factores determinantes para determinar el punto de
inyección al sistema de calcinación y hacer las modificaciones pertinentes a los módulos LSF, MS y
MF.de la harina cruda

22. Valverde, Sarria y Monteagudo, de la Universidad Tecnológica de Pereira, Colombia, para Diciembre de
2007, publicaron un estudio de las características fisicoquímicas de la cascarilla de arroz para China,
Canadá, Estados Unidos y Colombia.

23. Si se compara con carbón, la cascarilla de arroz caracteriza por su elevado
contenido de materia volátil, en el orden de 60%. Esto le confiere una
ventaja como combustible ya que entre 200 - 300 C donde se produce la
liberación y combustión de los compuestos volátiles. libera alrededor del 67
% del valor calórico.
Los factores básicos, en función de la composición química de la ceniza,
para usar cascarilla como combustible son:
•punto de fusión de las cenizas
La temperatura de fusión de la ceniza de la cascarilla de arroz
es cercano a 1500 C. Lo normal es que no se tengan
problemas de la escorificación por bajo punto de fusión
•nivel de ensuciamiento
•(depósitos acumulativos sobre la superficie de transferencia
de calor). Valverde, Sarria y Monteagudo, nos indican:
“Es muy probable que al quemar cascarilla de arroz se produzcan
problemas de ensuciamiento, avalado por el índice de álcali y porque
además esta posee un 20 % de contenido de ceniza, el cual es alto en
comparación con otros residuos.”

24. Sensibilidad de módulos de clínker ante sustitución térmica de
cascarilla de arroz
-
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
0 10 20 30 40
% sustitución térmica
MSoMA
80
82
84
86
88
90
92
94
96
98
100
LSF
MS
MA
LSF
El efecto de la ceniza en el proceso de
trasformación de harina a clínker es
notorio, es el caso del LSF el de mayor
impacto. Esta situación obliga a tomar
medidas compensatorias para
mantener intacta la calidad.
Prácticamente, cada punto de
sustitución térmica de cascarilla de
arroz, produce por la incorporación de
sus cenizas, un descenso de 0,27
puntos porcentuales en el LSF e
incrementa 0,01 puntos porcentuales el
MS.

25. • Resumen
Humedad
Tamaño y forma
Densidad
Poder calórico
Contenido cenizas
Composición química
Biomasa
Manejo, costos y energía neta
Cinética de combustión y cenizas
Manejo, transporte y cinética de combustión
Efectos de transporte, costos
Eficiencia energética
Modificaciones de proceso

26. ORIGEN
COMPRA
TRANSPORTE
RECEPCION
PROCESAMIENTO
ALIMENTACION
PRECIO/OTROS
FLETE
REC UTILIZABLE CALIDAD VOLUMEN
OTROS
MOV INTERNOSDESCARGA
INYECCIÓN
MMTOTRITURACIÓNSECADO
MMTO
Gcal/tm
Costo
punta
quemador
$/tm
$/tm
$/tm
$/tm
$/tm
$/Gcal
Evaluar
•$/Gcal de biomasa vrs combustible base
•Radio óptimo