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ANALISIS QUEMA DE COMBUSTIBLE

“CASCARILLAS DE CAFÉ”

JUAN FELIPE GRATTZ BELTRAN 2120111014

DANIEL SANTIAGO ROMERO VERGARA 2120111035

JHONATAN ALEXANDER RODRIGUEZ CUNDAR 2120112006

UNIVERSIDAD DE IBAGUÉ

INGENIERÍA MECÁNICA

IBAGUÉ TOLIMA

2015

ANALISIS QUEMA DE COMBUSTIBLE

“CASCARILLAS DE CAFÉ”

JUAN FELIPE GRATTZ BELTRAN 2120111014

DANIEL SANTIAGO ROMERO VERGARA 2120111035

JHONATAN ALEXANDER RODRIGUEZ CUNDAR 2120112006

Entregado a:

Ing. AGUSTÍN VALVERDE GRANJA

MSc. Eficiencia Energética

UNIVERSIDAD DE IBAGUÉ

INGENIERÍA MECÁNICA

IBAGUÉ TOLIMA

2015

1. INTRODUCCIÓN

La biomasa es la utilización de la materia orgánica como fuente energética. Por su

amplia definición, la biomasa abarca un amplio conjunto de materias orgánicas

que se caracteriza por su heterogeneidad, tanto por su origen como por su

naturaleza.

En el contexto energético, la biomasa puede considerarse como la materia

orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable

como fuente de energía. Estos recursos biomásicos pueden agruparse de forma

general en agrícolas y forestales.

La valoración de la biomasa puede hacerse a través de cuatro procesos básicos

mediante los que puede transformarse en calor y electricidad: combustión,

digestión anaerobia, gasificación y pirolisis. El término biomasa se refiere a 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), del aserradero (podas, ramas, aserrín, cortezas) y de los

residuos urbanos (aguas negras, basura orgánica y otros). Esta es la fuente de

energía renovable más antigua conocida por el ser humano. Desde la prehistoria,

la forma más común de utilizar biomasa como energía, ha sido por medio de la

combustión directa: quemándola en hogueras a cielo abierto, en hornos y cocinas

artesanales e, incluso, en calderas; convirtiéndola en calor para suplir las

necesidades de calefacción, cocción de alimentos, producción de vapor y

generación de electricidad.

En este informe, se presenta el proceso de combustión de la cascarilla de café y

se analiza a través de un análisis último.

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Analizar el proceso de combustión de la cascarilla de café a partir de su

análisis último.

2.2 OBJETIVO ESPECÍFICOS

Determinar el porcentaje de humedad de la cascarilla de café.

Determinar el porcentaje de carbono, a partir de las cenizas obtenidas del

proceso de combustión de la cascarilla de café.

Dimensionar el ventilador y determinar el flujo volumétrico que requiere a

partir de las tres quemas de la Cascarilla de Café (Ventilador totalmente

abierto; Ventilador medianamente abierto; Ventilador mínimamente abierto).

Dimensionar el diámetro de la chimenea a partir de la quema de la

Cascarilla de Café.

Calcular la relación aire combustible teórico y real del proceso de

combustión.

Determinar el porcentaje de gases y realizar su respectivo análisis.

MARCO TEÓRICO

La biomasa es toda aquella materia orgánica que ha formado parte de la vida en

algún momento y que proviene de la síntesis del carbono y otros compuestos por

la intervención de la luz solar. Constituye una fuente de energía más limpia que los

combustibles fósiles ya que libera al ambiente la misma cantidad de CO2

absorbido, cerrando su ciclo. Existen diversos residuos dentro de la biomasa que

pueden ser utilizados con fines energéticos:

Residuos agrícolas: procedentes de trabajos de campo e industrias

agrícolas.

Residuos forestales: leñas, cortezas, hojas, ramas, restos de tratamientos

Silvícolas, etc.

Residuos de la industria maderera: aserrín, astillas, costeros, cortezas,

cuya eliminación para la industria supone grandes costos y problemas,

pudiendo causar un fuerte impacto medioambiental.

Residuos ganaderos: contaminantes por su alto contenido en nitrógeno[1]

El problema de utilizar leña es el hecho de que deben destinarse plantaciones

específicas para la comercialización de este combustible. Dentro de la biomasa

residual, aparece la biomasa residual procesada: sobre los desechos

agroforestales se produce una transformación de la materia prima en donde se

logra compactar y aumentar la densidad de la misma. De esta manera se logra un

aumento del rendimiento energético y mayor facilidad en el transporte del

combustible[1]

Figura 1. Generación de Biomasa

Fuente: [2]

2.3 LA CASCARILLA DE CAFÉ COMO COMBUSTIBLE

La cascarilla de café es una materia prima la cual se utiliza como combustible ya

que arde muy bien gracias a su poder calorífico ya que solo tiene el 6% de

humedad (cascarilla de café blanca y negra.)

La cascarilla del café es prácticamente pura lignocelulosa y no posee ningún valor

como fertilizante si no está revuelta con otra materia prima. Esta suele ser

quemada generalmente en hornos toscos para secar el café en pergamino. Si la

mayor parte del pergamino se seca parcialmente al sol por motivos de calidad, es

aún posible tener un excedente de combustible después de una operación de

acabado del secado incluso con los toscos secadores de aire caliente de un paso

de hoy en día. Puede quemarse la cáscara en un generador de gas pobre y

después accionar un motor sobre ese gas pobre para producir electricidad.

Al igual que con el biogás, el calor residual procedente del generador de gas y del

motor puede usarse para calentar una corriente de aire limpio, y eso puede

todavía usarse para secar aún más café[3]

Figura 2. Café y sus derivados

Fuente: [4]

2.4 USO DEL CAFÉ Y SUS DERIVADOS

Figura 3. Cascarilla de Café y sus derivados

Fuente: [4]

2.5 CASCARILLA DE CAFÉ COMO FERTILIZANTE ORGANICO

Figura 4. Cascarilla de Café, usos en la fertilización orgánica

Fuente: [4]

2.6 CASCARILLA COMO COMBUSTIBLE SÓLIDO

Figura 5. Cascarilla de Café y sus usos en la combustión sólida

Fuente: [4]

3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Para empezar se debe realizar la quema del combustible (cascarilla de café), en

un horno de parrilla continua. Se deben tomar tres muestras, las cuales van a ser

quemadas por separado, cada una variando la entrada del dámper, esto con el fin

de determinar la cantidad de pies cúbicos por minuto que requiere el ventilador

para cada quema (CFM). Al final del proceso se recogerán las cenizas arrojadas.

Las tres muestras de ceniza, deben ser pesadas y llevadas a un horno de mufla a

700 °C por 3 horas. Al cabo de este tiempo, deben ser pesadas y se debe

determinar si hay una variación en la masa, esta no debe exceder el 10% del peso

inicial de las cenizas, en caso de que no coincida, se repite el proceso pero solo

por media hora en el mismo horno. También se debe dimensionar el diámetro de

la chimenea, a partir de la quema de la Cascarilla de Café.

Para determinar el porcentaje de humedad, se debe llevar al horno de mufla una

muestra de cascarilla de café a una temperatura de 105 °C, durante 3 horas; aquí

se realiza el mismo proceso que con las cenizas. Al cabo de las 3 horas, deben

ser pesadas y se debe determinar si hay una variación en la masa, esta no debe

exceder el 10% del peso inicial de la cascarilla de café, en caso de que no

coincida, se repite el proceso pero solo por media hora en el mismo horno. Figura 6. Figura 7.

Fuente autores

Es necesario calcular la relación aire combustible teórico y real y determinar el

porcentaje de gases para realizar su respectivo análisis.

PROCEDIMIENTO DESARROLLADO

Quema del combustible, Cascarilla de café en la hacienda la Ceiba.

Figura 8. Horno de quema.

Fuente: Autores

La quema del combustible (cascarilla de café) se llevó a cabo en dos hornos de la

hacienda la Ceiba, uno de quema (Ver Figura 8) y uno de análisis tipo Mufla.

Esta práctica se desarrolló en tres etapas para lograr el correcto análisis de las

variables que influyen en este tipo de proceso de combustión:

● Primera etapa: Dámper totalmente abierto (1)

● Segunda etapa: Dámper medio abierto (1/2)

● Tercera etapa: Dámper parcialmente cerrado(1/4)

A continuación se presenta una relación de imágenes de los procesos realizados

para el desarrollo de la práctica:

Primero se realizó una familiarización con los equipos para aprender a

manipularlos, (hornos, variador de frecuencia, anemómetro, etc.) El día 27 de

febrero 2015. En las horas de la tarde.

Después de esto se inició el horno de quema para hacer la quema de la cascarilla.

Este horno, cuenta con un sistema de relación de velocidad y un variador de

frecuencia, que permiten el movimiento de una parrilla móvil, que transporta el

combustible a quemar.

Se realizaron varias pruebas en las que se varió la frecuencia con el fin de

determinar cuál velocidad favorecía más la quema de la cascarilla de café, esto

debido a que la ignición de la cascarilla se da de manera fácil y rápida.

Figura 9. Pruebas Quema de Cascarilla de Café.

Fuente: Autores

La frecuencia definida fue 10Hertz como se evidencia en la Figura 10.

Figura 10. Variador de frecuencia.

Fuente: Autores

Antes de realizar la quema de la cascarilla, se pesaron las tres muestras que iban

a ser quemadas, como muestra la Figura 11.

Figura 11. Balanza mecánica de piso.

Fuente: Autores

La primera muestra pesó 4 kg, la segunda 4 kg y el tercer 4 kg. Las muestras se

emplearon para la quema de cada una de las etapas respectivamente.

Figura 12. Cascarilla de Café lista para quemar

Fuente: Autores

La primera muestra de 4 Kg se hizo con el difusor totalmente abierto. El diámetro

del difusor fue de 9,5 cm. y se utilizó un Anemómetro Tipo Hot-Wire, Marca

Control Company, para medir la velocidad del aire. Las especificaciones del

Termo anemómetro se encuentran en la Tabla 1.

Tabla 1. Especificaciones Anemómetro

Fuente: [5]

Figura 13. Dámper Totalmente abierto

Fuente: Autores

El tiempo de quema de la primera muestra fue de 31 minutos 51 segundos

(31:51). La temperatura del recinto durante la quema fue de 221,6° C. Gran parte

de la ceniza se perdió a través de la chimenea y también porque el horno se

encuentra en un área externa y hay fuertes corrientes de aire, todo esto es debido

a que el combustible presenta una elevada cantidad de material volátil.

Figura 14. Temperatura del recinto

Fuente: Autores

Figura 15.Temporizador celular.

Fuente: Autores

Figura 16. Ceniza obtenida en la primera quema.

Fuente: Autores

Fig. 17. Cenizas expulsadas a través de la chimenea.

Fuente: Autores

Este mismo procedimiento se realizó con las muestras 2 y 3.Para la quema de la segunda

muestra que fue de 4 Kg, el diámetro del dámper estuvo medio abierto a 4,25 es decir con

el 50% del área total del dámper. Además, la temperatura del recinto fue de 225°C, y el

tiempo de quema fue de 36,54 minutos.

Fig. 18. Temporizador

Fuente: Autores

Figura 19. Difusor medio abierto

Fuente: Autores

Figura 20. Cenizas obtenidas durante la segunda quema

Fuente: Autores

La quema de la tercera muestra con un peso de 4 Kg y con el difusor parcialmente

abierto, el tiempo de quema fue de 44:47 min arrojó los siguientes resultados:

Para un diámetro del dámper parcialmente cerrado, un dato tomado de la velocidad del

aire fue de 8,9 m/s

Figura 21 Temporizador

Fuente: Autores

Figura 22. Dámper parcialmente Cerrado.

Fuente: Autores

Figura 23. Velocidad del aire, Anemómetro.

Fuente: Autores

Figura 24. Cenizas obtenidas durante la tercera quema

Fuente: Autores

Después de haber obtenido las tres muestras de cenizas, se realizó la segunda parte de

la práctica: análisis de cenizas.

Para esta parte de la práctica se hizo uso del horno de análisis, Tipo Mufla TZ – 1700.

Las especificaciones técnicas del horno se presentan en la Tabla 2.

Fig. 25. Horno de análisis Tipo Mufla, TZ-1700

Fuente: Autores

Tabla 2. Especificaciones Técnicas Horno TZ - 1700

Fuente: [6]

Las cenizas antes de ingresar al horno de análisis se observan en la Figura 26. Estas se

mantuvieron a una temperatura de 700 °C, durante 3 horas. Este valor fue alcanzado

gradualmente por medio de la programación del horno, la cual se realizó para que

aumentara cada 10 min 100 °C. Este horno, utiliza alambre de resistencia para calentar,

como se observa en la Figura 25.

Figura 26. Cenizas antes de ser ingresadas al horno de análisis Tipo Mufla.

Fuente: Autores

Las cenizas fueron pesadas en una balanza electrónica Marca JM, Serie uno-milésima,

(rango de 100g/0.001g 200g/0.001g 300g/0.001g) [7], antes de ingresarlas al horno de

análisis, Tipo Mufla. La primera muestra, con el dámper totalmente abierto, ingresó con un

peso de 7 gramos. La segunda muestra con el dámper medio abierto, pesó 6.5 gramos, y

la tercera, con el Dámper parcialmente cerrado, pesó 7.2 gramos. Los resultados

obtenidos se encuentran en la Tabla 3.

La práctica: análisis de las cenizas arrojó los siguientes resultados:

Tabla 3. Peso de las Cenizas en gramos antes y después de Ingresar al Horno de

análisis.

Fuente: Autores

Para obtener el peso final de las muestras fue necesario ingresar dos veces las cenizas,

por media hora más, después del procedimiento de tres horas. Esto con el fin de conocer

el porcentaje con que dejaba de variar la masa, dentro del rango del 10% del peso inicial

de las cenizas.

Figura. 27. Cenizas obtenidas al salir del horno de análisis.

Fuente: Autores

El cambio de color de las cenizas, muestra la perdida de carbono que se presentó durante

la quema.

A continuación, se realizó la tercera parte de la práctica: análisis de humedad de la

cascarilla de café.

Para el análisis de la humedad, se quemó en el horno de análisis 3,2 gramos de la

cascarilla de café, a una temperatura de 105 °C durante 3 horas. El peso final que se

obtuvo fue de 2,9 gramos.

Muestra1. Dámper

totalmente abierto

Muestra 2. Dámper medio

abierto

Muestra 3. Dámper

parcialmente abierto

Mi 7 Mi 6,5 Mi 7,2

Mf 3.3 Mf 2,8 Mf 4.2

Figura. 28. Muestra de humedad

Fuente: Autores

6. CALCULOS Y RESULTADOS OBTENIDOS

El análisis último de la cascarilla de café es el siguiente:

Tabla 4. Análisis ultimo Cascarilla de Café

Parámetros Porcentuales

Cascarilla de Café

Carbono %C 41,65

Hidrogeno %H 4,36

Oxigeno %O 41,92

Azufre %S 0,53

Nitrógeno %N 0,53

Humedad %W 10,26

Cenizas Corregidas

%CC 0,81

Fuente: [7]

Partiendo de este análisis es posible realizar los cálculos necesarios para obtener la

relación aire combustible, el dimensionamiento del ventilador y la chimenea, y el análisis

de gases obtenidos a partir de la quema del combustible.

6.1 PRIMERA ETAPA: DAMPER TOTALMENTE ABIERTO

Figura 29. Dámper totalmente abierto

Fuente: Autores

Los datos obtenidos a partir del Procedimiento Desarrollado antes descrito fueron los

siguientes:

Tabla 5. Datos Primera Etapa

PRIMERA QUEMA DAMPER TOTALMENTE ABIERTO

Masa del combustible 4 kg

Tiempo de quema 31,51 min

Velocidad del Aire 10,9 m/s

Diámetro del dámper 9,5 cm

Temperatura 221,6 °C

análisis de porcentaje de Carbono

Masa inicial de cenizas 7 gr

Masa final de cenizas 3.3 gr

Fuente: Autores

Para reducir el error del valor de la velocidad del aire fue necesario realizar varias

medidas haciendo uso del anemómetro, como se describe en Procedimiento

Desarrollado; el valor promedio es el que se encuentra en la tabla 5.Este valor se obtuvo

de la siguiente forma:

Tabla 6. Velocidad promedio Primera Etapa

Dato Valor

Dato 1 10,7 m/s

Dato 2 10,5 m/s

Dato 3 11.5 m/s

Promedio 10,9 m/s

Fuente: Autores

Figura 30. Anemómetro

Fuente: Autores

6.1.1 Calculo de la humedad del combustible

Para el cálculo de la humedad del combustible se utilizó el método basado en la diferencia

de peso, haciendo uso de la siguiente ecuación:

%𝑊 =𝑚𝑖−𝑚𝑓

𝑚𝑖∗ 100 (1)

Se reemplazan los valores obtenidos en el análisis de humedad de la cascarilla de café

planteado en el Procedimiento Desarrollado, en la Ecuación (1), así:

%𝑊 =3,2𝑔 − 2,9 𝑔

3,2 𝑔∗ 100 = 9.375

A partir de una muestra de la cascarilla de café utilizada en la práctica, fue posible

determinar que la humedad presente en la misma fue de aproximadamente el 9,375%,

valor similar al que arroja el análisis último el cual es de 10,26% (Ver tabla 4).

6.1.2 Calculo del porcentaje de carbono

Para el cálculo del porcentaje de carbono del combustible se utilizó el método basado en

la diferencia de peso, haciendo uso de la siguiente ecuación:

%𝐶 =𝑚𝑖 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎𝑠−𝑚𝑓 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎𝑠

𝑚𝑖 𝑐𝑒𝑛𝑖𝑧𝑎𝑠∗ 100 (2)

Se reemplazan los valores que se observan en la tabla 5, en la Ecuación (2), así:

%𝐶 =7 𝑔 − 3,3 𝑔

7 𝑔∗ 100 = 52,85%

A partir de las cenizas obtenidas del proceso de combustión de la cascarilla de café fue

posible determinar el porcentaje de Carbono, el cual fue de 52,85%, valor similar al que

arroja el análisis último de la misma (Ver tabla 4), el cual es de 41,65%.

6.1.3 Calculo relación aire combustible teórica

Para hallar la cantidad de aire necesario para la combustión, se emplea la siguiente

fórmula:

𝑊𝑎 = 11,46 %𝐶 + 34,3%𝐻 + 4,29%𝑆 − 4,29%𝑂 (3)

Este valor define la cantidad de aire teórico necesaria para la combustión, pues la formula

se obtiene sin tener en cuenta el exceso de aire en el proceso.

Reemplazando los valores obtenidos de la tabla 4 en la Ecuación (3):

𝑊𝑎 =(11,46 (0,4165) + 34,3(0,0436) + 4,29(0,053) + −4,29(0,4192))

100

𝑊𝑎 = 4,5𝑙𝑏𝑚 𝐴

𝑙𝑏𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏

La cantidad de aire necesario para la combustión es de 4,5 lbm A

lbm comb, es decir que por cada

lb de combustible se necesitan 4,545 lb de aire para lograr la combustión.

6.1.4 Calculo relación aire combustible real

La cantidad de aire real necesario para la combustión está determinado por la siguiente

formula:

𝑊𝐴 =�̇�𝑎

�̇�𝑐𝑜𝑚𝑏 (4)

Donde:

�̇�𝑎 = 𝜌𝑎 ∗ ∀̇𝑎 (5)

�̇�𝑎 Flujo másico de aire empleado en el proceso

𝜌𝑎 Densidad del aire que entra por el difusor

∀̇𝑎 Flujo volumétrico del aire

La densidad del aire es igual a:

𝜌𝑎 =𝑃𝑎𝑡𝑚

𝑅∗𝑇𝑎𝑚𝑏 (6)

La presión atmosférica a la que se encuentra la ciudad de Ibagué es de 0,86 bares y la

temperatura ambiente promedio es de 28 °C.

Según tablas termodinámicas:

𝑅 =𝑅𝑢

𝑀=

0,08314 𝑏𝑎𝑟 ∗ 𝑚3

𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 ∗ 𝐾

28,97 𝑘𝑔

𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙

𝑅 = 2,87 ∗ 10−3𝑏𝑎𝑟 ∗ 𝑚3

𝑘𝑔 ∗ 𝐾

Reemplazando en la Ecuación (6):

𝜌𝑎 =0,86 𝑏𝑎𝑟

2,87 ∗ 10−3 𝑏𝑎𝑟 ∗ 𝑚3

𝑘𝑔 ∗ 𝐾∗ 301 𝐾

𝜌𝑎 = 0,995𝑘𝑔

𝑚3 ∗2,2 𝑙𝑏𝑚

1 𝑘𝑔∗

1 𝑚3

35,28 𝑓𝑡3 = 0,062𝑙𝑏𝑚

𝑓𝑡3

El flujo volumétrico de aire es igual a:

∀̇𝑎= 𝑉 ∗ 𝐴 (7)

El área de entrada de aire está delimitada por el diámetro del difusor, en este caso es

igual a:

𝐴 =𝜋

4(0,095𝑚)2 = 7,088 ∗ 10−3𝑚2

Se reemplaza en la Ecuación (7):

∀̇𝑎= 10,9 𝑚/𝑠 ∗ 7,088 ∗ 10−3𝑚2

∀̇𝑎= 0,0772 𝑚3

𝑠∗

35,28 𝑓𝑡3

1 𝑚3 ∗60 𝑠

1 𝑚𝑖𝑛

∀̇𝑎= 163,54𝑓𝑡3

𝑚𝑖𝑛

Por lo tanto, reemplazando en la Ecuación (5) se obtiene el flujo másico de aire:

�̇�𝑎 = 0,062𝑙𝑏𝑚

𝑓𝑡3 ∗ 163,54𝑓𝑡3

𝑚𝑖𝑛

�̇�𝑎 = 10.17 𝑙𝑏𝑚

𝑚𝑖𝑛

Para hallar el flujo másico de combustible se encuentra la relación entre el peso del

combustible y el tiempo que tardo en quemarse, como se evidencia en la siguiente

ecuación:

�̇�𝑐𝑜𝑚𝑏 =𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 (8)

�̇�𝑐𝑜𝑚𝑏 =4 𝑘𝑔 ∗

2,2 𝑙𝑏𝑚1 𝑘𝑔

31,51 𝑚𝑖𝑛= 0,279

𝑙𝑏𝑚

𝑚𝑖𝑛

Se reemplazan estos valores en la Ecuación (4) para hallar la cantidad de aire real:

𝑊𝐴 =10.13

𝑙𝑏𝑚 𝐴𝑚𝑖𝑛

0,279 𝑙𝑏𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏

𝑚𝑖𝑛

= 36.34𝑙𝑏𝑚 𝐴


Además, se sabe que:

𝑊𝐴 = (1 + 𝛼) ∗ 𝑊𝑎 (9)

Por lo tanto, despejando de la Ecuación (9) el exceso de aire:

𝛼 =𝑊𝐴

𝑊𝑎− 1 (10)


𝛼 =36,34

𝑙𝑏𝑚 𝐴𝑙𝑏𝑚 𝑐𝑜𝑚𝑏

4,545𝑙𝑏𝑚 𝐴


− 1 = 6.99

𝛼 = 700 %

El exceso de aire para la primera etapa, es decir, cuando el dámper se encontraba

totalmente abierto, es de 700 %.

6.1.5 Dimensionamiento ventilador

Para dimensionar el ventilador es necesario hallar el CFM o pies cúbicos por minuto de

aire para ser movidos por el ventilador. El ventilador debe ser más grande que el

calculado teóricamente debido a cualquier exceso de aire que se pueda presentar en el

proceso. El CFM es equivalente al flujo volumétrico de aire. Por lo tanto se reemplaza en

la Ecuación (7), para obtener el flujo volumétrico de aire:

∀̇𝑎= 10,9 𝑚/𝑠 ∗𝜋

4(0,095𝑚)2

∀̇𝑎= 0,0772 𝑚3

𝑠∗

35,28 𝑓𝑡3

1 𝑚3 ∗60 𝑠

1 𝑚𝑖𝑛

∀̇𝑎= 163,54𝑓𝑡3

𝑚𝑖𝑛

𝐶𝐹𝑀 = 163,54𝑓𝑡3

𝑚𝑖𝑛

El CFM del ventilador para esta etapa: el dámper totalmente abierto es de 163,54𝑓𝑡3

𝑚𝑖𝑛.

6.1.6 Dimensionamiento chimenea

Es necesario realizar un balance de energía que nos permita conocer la cantidad de gas

por unidad de tiempo que sale por la chimenea.

Teniendo en cuenta que lo que entra como combustible y aire, sale en el cenicero como

ceniza y en la chimenea como gases, entonces:

�̇�𝑐𝑜𝑚𝑏 + �̇�𝑎 = �̇�𝑐𝑒 ∗ �̇�𝑔

�̇�𝑔 = �̇�𝑐𝑜𝑚𝑏 + �̇�𝑎 − �̇�𝑐𝑒 (11)

El flujo másico de cenizas equivale a:

�̇�𝑐𝑒 = %𝐶𝐶 ∗ �̇�𝑐𝑜𝑚𝑏 (12)


�̇�𝑐𝑒 =0,81

100∗ 0,279

𝑙𝑏𝑚

𝑚𝑖𝑛

�̇�𝑐𝑒 = 0,002259 𝑙𝑏𝑚

𝑚𝑖𝑛


�̇�𝑔 = 0,279 𝑙𝑏𝑚

𝑚𝑖𝑛+ 10,13

𝑙𝑏𝑚

𝑚𝑖𝑛− 0,002259

𝑙𝑏𝑚

𝑚𝑖𝑛

�̇�𝑔 = 10,406 𝑙𝑏𝑚

𝑚𝑖𝑛

La densidad de los gases es igual a:

𝜌𝑔 =𝑃𝑔

𝑅∗𝑇𝑔 (13)

Según la norma la presión de los gases debe ser igual a 1,3 veces la presión atmosférica,

además la temperatura de los gases debe ser menor o igual a 250 °C, por lo tanto se

trabajara con una temperatura de 250 °C [523 K]. Esta norma se debe cumplir para no

generar consecuencias perjudiciales para el medio ambiente.

Reemplazando en la Ecuación (13), se obtiene:

𝜌𝑔 =1,3 ∗ 0,86 𝑏𝑎𝑟

2,87 ∗ 10−3 𝑏𝑎𝑟 ∗ 𝑚3

𝑘𝑔 ∗ 𝐾∗ 523 𝐾

𝜌𝑔 = 0,745𝑘𝑔

𝑚3 ∗2,2 𝑙𝑏𝑚

1 𝑘𝑔∗

(0.3048𝑚)3

𝐹𝑡3

𝜌𝑔 = 0.047 𝑙𝑏𝑚

𝐹𝑡3

Este valor tiene sentido, pues al ser menor la densidad de los gases estos van a elevarse

por encima del aire y salir por la chimenea.

El flujo volumétrico de los gases es de:

∀̇𝑔=�̇�𝑔

𝜌𝑔 (14)


∀̇𝑔=10,13

𝑙𝑏𝑚𝑚𝑖𝑛

0.047𝑙𝑏𝑚𝐹𝑡3

∀̇𝑔= 224.77𝐹𝑡3

𝑚𝑖𝑛∗

𝑚3

1𝐹𝑡3 = 6.364 𝑚3

𝑚𝑖𝑛

Además, el área transversal de la chimenea es igual a:

𝐴𝑇 =∀̇𝑔

𝑉𝑔 (15)

Según norma la velocidad máxima de salida de la chimenea recomendada es de 15 m/s.


𝐴𝑇 =6.364

𝑚3

𝑚𝑖𝑛∗

1 𝑚𝑖𝑛60 𝑠

15 𝑚/𝑠

𝐴𝑇 = 7.072 ∗ 10−3𝑚2

El área transversal de la chimenea está definida por la siguiente formula:

𝐴𝑇 =𝜋

4∗ 𝐷2 (16)

De la Ecuación (16) se halla el diámetro necesario para la chimenea:

𝐷 = √4∗𝐴𝑇

𝜋 (17)


𝐷 = √4 ∗ 7.072 ∗ 10−3𝑚2

𝜋

𝐷 = 9.48 ∗ 10−2𝑚 = 9.48 𝑐𝑚

Para las condiciones de trabajo el diámetro de la chimenea debe ser de aproximadamente

10 cm.

6.1.7 Análisis de gases al quemar el combustible teórico

Para calcular el análisis de los gases teórico, se tiene en cuenta la información del

análisis último gravimétrico, después se convierte este análisis a análisis volumétrico con

la siguiente ecuación.

𝑛 =𝑚

𝑀 (18)

Como se conoce la masa de los elementos entregadas por el análisis gravimétrico y la

masa molecular de cada uno de los elementos, se calcula el número de moles.

A partir dela Ecuación (18) se obtuvo la siguiente tabla:

Tabla 7. Análisis ultimo volumétrico

Análisis ultimo Gravimétrico Análisis volumétrico

Elemento Masa "m" Masa molecular "M" # moles "n"

%C 41,65 12 3,471

%H 4,36 1 4,360

% O 41,92 16 2,620

%S 0,53 32 0,017

%N 0,53 14 0,038

%CC 0,81

%W 10,2

Fuente: Autores

Se plantea la ecuación que se experimenta la reacción química durante la combustión de

la cascarilla de café.

La fórmula química que representa la reacción a partir de la combustión de la cascarilla de

café pero en condiciones estequiomterica teórica es:

3,471%𝐶 + 4,360%𝐻 + 2.62%𝑂 + 0,017%𝑆 + 0,038%𝑁 + 𝑥(𝑂2 + 3,76𝑁2)

= 𝑎𝐶𝑂2 + 𝑏𝐻2𝑂 + 3,76 𝑥𝑁2

Se calcula por medio del balance de masa: Carbono, Hidrogeno y Oxígeno

Balance de C

3,471 = 𝑎

Balance de H

4,36 = 2𝑏

𝑏 =4,36

2= 2.18

Balance de O

2,62 + 2𝑥 = 2𝑎 + 𝑏

𝑥 =2(3,471) + 2,18 − 2,62

2

𝑥 = 3.251

La fórmula química final es:

3,471%𝐶 + 4,360%𝐻 + 2.62%𝑂 + 0,017%𝑆 + 0,038%𝑁 + 3.251(𝑂2 + 3,76𝑁2)

= 3,471𝐶𝑂2 + 2.18𝐻2𝑂 + 12.22 𝑁2

Ahora se calcula el número de moles de dióxido de carbono, vapor de agua y nitrógeno

que se presentan en la combustión:

Tabla 8. Numero de moles de los gases en condiciones estequiomterica teórico

n Elemento

3,471 CO2

2.18 H2O

12.22 N2

17,871 nt=

Fuente: Autores

Con la tabla 8 se calcula el porcentaje de los gases presentes en la combustión:

%𝐶𝑂2 =3,471

17,871∗ 100 = 19,422 %

%𝐻2𝑂 =2,18

17,871∗ 100 = 12,198 %

%𝑁2 =12.22

17,871∗ 100 = 68,378%

Los gases producidos en la combustión teórica son:

19,422% de CO2

12,198% de H2O

68,378% de N2.

6.1.8 Análisis de gases al quemar el combustible real

La fórmula química que representa la reacción a partir de la combustión de la cascarilla de

café pero en condiciones estequiomterica con exceso de aire es:

3,471%𝐶 + 4,360%𝐻 + 2.62%𝑂 + 0,017%𝑆 + 0,038%𝑁 + (1 + 𝛼)(𝑂2 + 3,76𝑁2) = 𝑎𝐶𝑂2 +

𝑏𝐻2𝑂 + 𝑑𝑂2 + 3,76 𝑥(1 + 𝛼) 𝑁2 (19)

El exceso de aire es 709,88 % (Ver Cálculo relación aire combustible real).

Se remplaza el exceso de aire y el número de moles de los gases obtenido a partir del

Análisis de gases al quemar el combustible teórico, en la Ecuación (19):

3,471%𝐶 + 4,360%𝐻 + 2.62%𝑂 + 0,017%𝑆 + 0,038%𝑁 + 3.251(1 + 7,0988)(𝑂2 + 3,76𝑁2)

= 3,471𝐶𝑂2 + 2.18𝐻2𝑂 + 𝑑𝑂2 + 3,76 ∗ 3.251(1 + 7,0988) 𝑁2

3,471%𝐶 + 4,360%𝐻 + 2.62%𝑂 + 0,017%𝑆 + 0,038%𝑁 + 26,32 𝑂2 + 98,99𝑁2

= 3,471𝐶𝑂2 + 2.18𝐻2𝑂 + 𝒅𝑂2 + 98,99 𝑁2

Se calcula el balance de oxígeno para determinar el número de moles de oxígeno en

estado libre presente en la combustión:

Balance de O

2,62 + 2(26,32) = 2(3,471) + 2,18 + 2𝑑

𝑑 =2,62 + 52.64 − 6,942 − 2,18

2

𝑑 = 23.06

Ahora se calcula el número de moles de dióxido de carbono, vapor de agua y nitrógeno:

Tabla 9. Numero de moles de los gases con exceso de aire

Elemento n

CO2 3,471

H2O 2,62

N2 98,99

O2 23,06

nT 128,141

Fuente: Autores

A partir de la tabla 9 se calcula el porcentaje de los gases presentes en la combustión:

%𝐶𝑂2 =3,471

128,141∗ 100 = 2,7 %

%𝐻2𝑂 =2,18

128,141∗ 100 = 1,7 %

%𝑁2 =98.99

128,141∗ 100 = 77,25 %

%𝑂2 =23,06

128,141∗ 100 = 18,35 %

Si se trabaja en condiciones reales con exceso de aire se consigue como resultado de la

combustión oxígeno en estado libre O2 y los gases que normalmente se obtienen como lo

son: CO2, H2O y N2

Análisis CO2

A partir de estos resultados es posible evidenciar que el porcentaje de CO2 varía en

función del exceso de aire (alpha) presente en la combustión. Es importante destacar que

en una combustión con cierta cantidad de combustible, la cantidad (número de moles) de

CO2 producido durante esta es la misma, así varíe o no la cantidad de exceso de aire

presente, en este caso es de 3,471 moles.

Lo anterior es debido a que el CO2 es producido principalmente por el carbono contenido

en el combustible y si el exceso de aire aumenta, no tiene impacto alguno sobre la

cantidad del CO2 pero si en el porcentaje de este, debido a que las moles totales

aumentan en función al exceso de aire presente.

Por consiguiente, el porcentaje de CO2 presente en la combustión disminuye a medida

que aumenta el exceso de aire. Esto se evidencia en los cálculos realizados

anteriormente, en los cuales con un exceso de aire de 724,74% el porcentaje de CO2 es

dé 2,7 % y en condiciones estequiometricas, es decir sin exceso de aire, el porcentaje de

CO2 es de 19,422%, valor mucho más elevado.

Análisis H2O

El porcentaje de vapor de agua producido durante la combustión varía también en función

de la cantidad de exceso de aire (alpha) presente, al igual que el CO2 la cantidad el vapor

de agua producido no se ve influenciada por el aumento en el exceso de aire, en este

caso es de 2,18 moles.

Sin embargo, el cálculo del porcentaje de este si se ve afectado debido a que el número

de moles totales cambia cuando varía el exceso de aire. Por consiguiente, el porcentaje

de H2O presente en la combustión disminuye a medida que aumenta el exceso de aire.

Esto se evidencia en los cálculos realizados anteriormente, en los cuales en condiciones

estequiometrica el porcentaje de H2O es de 12,198% y con un exceso de aire de

724,74% el porcentaje de H2O es de 1,7%, valor menor en comparación al anterior.

Análisis N2

Al incrementar el aire a la entrada del ventilador se genera un aumento en los gases de

combustión, por lo que paralelamente se ve afectado la proporción de nitrógeno presente

en el gas, aumentando simultáneamente. Esto se evidencia en los cálculos realizados

anteriormente, en los cuales en condiciones estequiometrica el porcentaje de N2 es de

68,378% y con un exceso de aire es del 77,25 % el porcentaje de N2.

Análisis O2

En condiciones estequiometrica no se produce como resultado de la combustión oxígeno

en estado libre, pues todos elementos reaccionan con la cantidad exacta de aire

necesaria, mientras que al agregar aire en exceso este va a reaccionar produciendo

oxígeno en estado libre, el cual aumenta conforme se agregue aire al proceso de

combustión. En este caso para un exceso de aire de 709,88% el porcentaje de O2 es de

18,35 %.

6.2 SEGUNDA ETAPA: DIFUSOR MEDIANAMENTE ABIERTO

El difusor se encuentra abierto un 50% del diámetro nominal como se evidencia en la

Figura 24.

Figura 24. Difusor medianamente abierto

Fuente: Autores

4,5 cm


siguientes:

Tabla 10. Datos Segunda Etapa

SEGUNDA QUEMA DAMPER MEDIO ABIERTO


Tiempo de quema 36,54


Abertura del dámper 50% diámetro total

Temperatura 225 °C


Masa inicial de cenizas 6,5 gr

Masa final de cenizas 2,8 gr

Fuente: Autores

Al igual que en la primera etapa fue necesario realizar varias medidas para hallar la

velocidad del aire haciendo uso del anemómetro; el valor promedio es el que se encuentra

en la tabla 10.

Este valor se obtuvo de la siguiente forma:

Tabla 11. Velocidad promedio Segunda Etapa

Dato Valor

Dato 1 9,3 m/s

Dato 2 10,8 m/s

Dato 3 10,5 m/s

Promedio 10,2 m/s

Fuente: Autores

6.2.1 Cálculos Segunda Etapa

Se realizan los cálculos antes descritos y los resultados obtenidos son los siguientes:

Tabla 12. Datos obtenidos Segunda Etapa

Fuente: Autores

Nota: Los cálculos se realizaron en una hoja de cálculo que será anexada al documento.


El exceso de aire en este caso es del 339,42% (Ver Tabla 12).

Reemplazando el exceso de aire y el número de moles de los gases obtenido a partir del

Análisis de gases al quemar el combustible teórico, en la Ecuación (19) se obtiene la

fórmula química que describe la reacción obtenida a partir de la combustión de la

cascarilla de café con exceso de aire:

3,471%𝐶 + 4,360%𝐻 + 2.62%𝑂 + 0,017%𝑆 + 0,038%𝑁 + 𝑥(1 + 𝛼)(𝑂2 + 3,76𝑁2)

= 𝑎𝐶𝑂2 + 𝑏𝐻2𝑂 + 𝑑𝑂2 + 3,76 𝑥(1 + 𝛼) 𝑁2

Remplazando

3,471%𝐶 + 4,36%𝐻 + 2,62%𝑂 + 0,017%𝑆 + 0,038%𝑁 + 3,25(1 + 3,3942)(𝑂2 + 3,76𝑁2)

= 3,471 𝐶𝑂2 + 2,18𝐻2𝑂 + 𝑑𝑂2 + 3,76 (3,25)(1 + 3,392) 𝑁2

3,471%𝐶 + 4,36%𝐻 + 2,62%𝑂 + 0,017%𝑆 + 0,038%𝑁 + 14,28𝑂2 + 53,59𝑁2

= 3,471 𝐶𝑂2 + 2,18𝐻2𝑂 + 𝑑𝑂2 + 53,59𝑁2

Se realiza un balance de oxígeno para determinar el número de moles de oxígeno en


Balance de O

2,62 + 2(14,28) = 2(3,471) + 2,18 + 2𝑑

𝑑 =2,62 + 28,56 − 6,942 − 2,18

2

𝑑 = 11,09


n Elemento

3,471 CO2

2,18 H2O

53,59 N2

11,029 O2

70,27 nt=

Fuente: Autores

A partir de la tabla 13 es posible conocer el porcentaje de los gases presentes en la

combustión, de la siguiente manera:

%𝐶𝑂2 =3,471

70,27∗ 100 = 4,9 %

%𝐻2𝑂 =2,18

70,27∗ 100 = 3,1%

%𝑁2 =53,59

70,27∗ 100 = 76,26%

%𝑂2 =11,029

70,27∗ 100 = 15,69%

Cuando se trabaja en condiciones reales con exceso de aire se consigue como resultado

de la combustión oxígeno en estado libre O2 y los gases que normalmente se obtienen

como lo son: CO2, H2O y N2.

Para un exceso de aire de 339,42% se obtiene como resultado de la combustión de la

cascarilla de café: 4,9% de CO2, 3,1% de H2O, 76,26% de N2 y 15,69% de O2.

6.3 TERCERA ETAPA: DIFUSOR PARCIALMENTE ABIERTO

El difusor de encuentra abierto un 20% del diámetro nominal como se evidencia en la

Figura 25.

Figura 25. Difusor parcialmente abierto

Fuente: Autores


siguientes:

Tabla 14. Datos Tercera Etapa

TERCERA QUEMA DAMPER MEDIO ABIERTO


Tiempo de quema 44,37


Abertura del dámper 25% diámetro total

Temperatura 255 °C


Masa inicial de cenizas 7,2 gr

Masa final de cenizas 4,2 gr

Fuente: Autores

Al igual que en la primera etapa fue necesario realizar varias medidas para hallar la

velocidad del aire haciendo uso del anemómetro; el valor promedio es el que se encuentra

en la tabla 14.

2 cm

Este valor se obtuvo de la siguiente forma:

Tabla 15. Velocidad promedio Tercera Etapa

Dato Valor

Dato 1 8,8 m/s

Dato 2 9,2 m/s

Dato 3 8,7 m/s

Promedio 8,9 m/s

Fuente: Autores

6.3.1 Cálculos Segunda Etapa

Se realizan los cálculos antes descritos y los resultados obtenidos son los siguientes:

Tabla 16. Datos obtenidos Tercera Etapa

Fuente: Autores

Nota: Los cálculos se realizaron en una hoja de cálculo que se anexa al documento.


El exceso de aire en este caso es del 132,79 % (Ver Tabla 16).

Reemplazando el exceso de aire y el número de moles de los gases obtenido a partir del

Análisis de gases al quemar el combustible teórico, en la Ecuación (19) se obtiene la

fórmula química que describe la reacción obtenida a partir de la combustión de la

cascarilla de café con exceso de aire:

3,471%𝐶 + 4,360%𝐻 + 2.62%𝑂 + 0,017%𝑆 + 0,038%𝑁 + 𝑥(1 + 𝛼)(𝑂2 + 3,76𝑁2)

= 𝑎𝐶𝑂2 + 𝑏𝐻2𝑂 + 𝑑𝑂2 + 3,76 𝑥(1 + 𝛼) 𝑁2

Remplazando

3,471%𝐶 + 4,36%𝐻 + 2,62%𝑂 + 0,017%𝑆 + 0,038%𝑁 + 3,25(1 + 1,3279)(𝑂2 + 3,76𝑁2)

= 3,471 𝐶𝑂2 + 2,18𝐻2𝑂 + 𝑑𝑂2 + 3,76 (3,25)(1 + 1,3279) 𝑁2

3,471%𝐶 + 4,36%𝐻 + 2,62%𝑂 + 0,017%𝑆 + 0,038%𝑁 + 7,56𝑂2 + 28,45𝑁2

= 3,471 𝐶𝑂2 + 2,18𝐻2𝑂 + 𝑑𝑂2 + 28,45𝑁2

Se realiza un balance de oxígeno para determinar el número de moles de oxígeno en


Balance de O

2,62 + 2(7,56) = 2(3,471) + 2,18 + 2𝑑

𝑑 =2,62 + 15,12 − 6,942 − 2,18

2

𝑑 = 4,3


n Elemento

3,471 CO2

2,18 H2O

28,45 N2

4,3 O2

38,4 nt=

Fuente: Autores

A partir de la tabla 17 es posible conocer el porcentaje de los gases presentes en la

combustión, de la siguiente manera:

%𝐶𝑂2 =3,471

38,4∗ 100 = 9,03 %

%𝐻2𝑂 =2,18

38,4∗ 100 = 5,67 %

%𝑁2 =28,45

38,4∗ 100 = 74,08 %

%𝑂2 =4,3

38,4∗ 100 = 11,19 %

Cuando se trabaja en condiciones reales con exceso de aire se consigue como resultado

de la combustión oxígeno en estado libre O2 y los gases que normalmente se obtienen

como lo son: CO2, H2O y N2

Entre menor sea el exceso de aire menor porcentaje de oxígeno en estado libre se

obtendrá, además los porcentajes de CO2 y H2O aumentaran conforme disminuya este

exceso.

Análisis CO2

Como se mencionó en el análisis de gases de la primera parte, el porcentaje de CO2

varía en función del exceso de aire presente en la combustión, pero la cantidad (número

de moles) de CO2 producido durante esta es la misma, en este caso, para la combustión

de la cascarilla de café, es de 3,471 moles.

Por consiguiente, el porcentaje de CO2 presente en la combustión aumenta a medida que

disminuye el exceso de aire. Esto se evidencia en los cálculos realizados anteriormente,

en los cuales con un exceso de aire de 709,88% el porcentaje de CO2 es de 2,7%, con un

exceso de aire de 339,42% es de 4,29%, con un exceso de aire de 132,79% es de 9,03%

y en condiciones estequiometricas, es decir sin exceso de aire, el porcentaje de CO2 es

de 19,418%.

Análisis H2O

Como se mencionó en el análisis de gases de la primera parte, al igual que el CO2 la

cantidad el vapor de agua producido no se ve influenciada por el aumento en el exceso de

aire, en este caso, para la combustión de la cascarilla de café es de 2,18 moles. Sin

embargo, el cálculo del porcentaje de este si se ve afectado debido a que el número de

moles totales cambia cuando varía el exceso de aire.

Por consiguiente, el porcentaje de H2O presente en la combustión disminuye a medida

que aumenta el exceso de aire. Esto se evidencia en los cálculos realizados

anteriormente, en los cuales en condiciones estequiometrica el porcentaje de H2O es de

12,197%, con un exceso de aire de 132,79% es de 5,67%, con un exceso de aire de

339,42% es de 3,1% y con un exceso de aire de 709,88% es de 1,7%.

Análisis N2

El porcentaje de nitrógeno presente en la combustión aumenta directamente con el

exceso de aire. Esto se evidencia en los cálculos realizados anteriormente, en los cuales

en condiciones estequiometricas el porcentaje de N2 es de 68,385%, con un exceso de

aire de 132,79% es de 74,08 %, con un exceso de aire de 339,42% es de 76,26% y con un

exceso de aire de 709,88% es de 77,25%.

Análisis O2

El porcentaje de oxígeno en estado libre aumenta conforme se agregue aire al proceso de

combustión. En este caso para un exceso de aire de 709,88% el porcentaje de O2 es de

18,35%, para un exceso de aire de 339,42% es de 15,69% y para un exceso de aire de

132,79% es de 11,19%.

7. CONCLUSIONES

Dado que el porcentaje de humedad calculado con la del horno y el peso; es de

9,375% nos indica que es combustible de fácil ignición.

Al realizar el análisis de cenizas en el horno de análisis tipo Mufla, se observó que

el peso de estas disminuye debido a que pierden el poco contenido de carbono

que tienen después de ser quemadas, esto fue evidente en el cambio de color.

Se comprobó que a un menor diámetro de apertura del difusor, las velocidades

disminuye consecutivamente porque se presenta una menor cantidad de aire

disponible; a su vez por haber menor área acceso en el área del dámper se

requiere un diámetro de chimenea menor.

Debido a que este combustible presenta alto contenido de cenizas volátiles, se

evidenció una gran pérdida de estas al finalizar la quema. En promedio por cada

4Kg de combustible ingresado, salieron 26,6 gramos de ceniza pesada. Debido a

su alta contenido de materia volátil parte de la ceniza se perdió por la chimenea.

El área del dámper afecta directamente el porcentaje de acceso de aire que

ingresa al sistema, de la cantidad de aire que ingresa depende el diámetro de la

chimenea con esto implica los costos de ella pero esto implica menor consumo

de combustible.

8. BIBLIOGRAFIA

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BIOMASICOS: RESPUESTA A LA CRISIS ENERGÉTICA, La plata, 2009.

[2] O. Energy, Biomasa, Madrid, 2011.

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biomasa/

[3] R. Rathinavelu y G. Graziosi, Posibles usos alternativos de los residuos y

subproductos del café, Trieste, 2005.

[4] J. Satrio, Potencial de la cascarilla de Café como fuente de Energía, Combustible y

Químico, Nicaragua, 2012, p. 6.

[5] C.-P. (. S. y. trust), Cole-Parmer Heavy-Duty Hot-Wire Thermoanemometer with

Datalogger, 2014.

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[7] Classification of Biomass. Biomass from Industry. Coffee Husks #1922 [Online]

Disponible en: https://www.ecn.nl/phyllis2/Browse/Standard/NTA-8003#coffee husks.

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