N3 Avanzado · Lección 6 de 8 · 40 min

Química de cenizas: escoria, ensuciamiento y lo que dicen (y no dicen) los índices

Caracterización fisicoquímica de la biomasa

Equipo docente de biomasa360 · Responsable: Dirección de oferta, calidad y Academia · Revisada el 25 de octubre de 2026 (revisión científica de cálculos y citas)

Al terminar podrás

Expresar la composición de la ceniza en óxidos y calcular el índice de álcalis y la relación base/ácido.
Interpretar las temperaturas características de fusión de la ceniza.
Evaluar críticamente si la sílice de la cascarilla causa escoria, con datos de fusión reales.

Conviene saber antes

Lección «Análisis próximo».
Lección «Análisis elemental y poder calorífico».

La ceniza se reporta como óxidos (SiO2, K2O, CaO, Na2O, MgO, Fe2O3, Al2O3, P2O5, SO3) en porcentaje de la ceniza. Esa química decide tres problemas distintos:

*Escoria (slagging)*: ceniza que se ablanda o funde en las zonas calientes del hogar y se pega a la parrilla o al refractario.
*Ensuciamiento (fouling)*: depósitos en los tubos de la zona convectiva, a menudo iniciados por compuestos alcalinos que se volatilizan y condensan.
Aglomeración: en lechos fluidizados, la ceniza fundida pega los granos de arena.

La norma ISO 21404 (2020) determina las temperaturas características de fusión de la ceniza (inicio de deformación, esfera, hemisferio y fluidez) observando una probeta de ceniza mientras se calienta. Los índices empíricos intentan predecir el riesgo desde la composición; Garcia-Maraver et al. (2017) revisan críticamente su capacidad predictiva para biomasa.

IA = \frac{\frac{A}{100}\cdot\frac{K_2O + Na_2O}{100}}{\mathrm{PCS}/1000} \qquad \frac{B}{A} = \frac{Fe_2O_3 + CaO + MgO + K_2O + Na_2O}{SiO_2 + TiO_2 + Al_2O_3}

Índice de álcalis (Jenkins et al., 1998): kilogramos de óxidos alcalinos por GJ de combustible; por encima de 0,17 kg/GJ el ensuciamiento es probable y por encima de 0,34 kg/GJ casi seguro (Tanger et al., 2013, citando a Jenkins et al.). Relación base/ácido: óxidos que bajan la temperatura de fusión frente a los que la suben.

Variables de la ecuación 1
Símbolo	Significado	Unidad
$IA$	índice de álcalis	kg/GJ
$A$	ceniza en base seca	%
$K_2O, Na_2O, \ldots$	óxidos en la ceniza	% de la ceniza
$\mathrm{PCS}$	poder calorífico superior en base seca	MJ/kg

Ejemplo resuelto 1

Índice de álcalis de la cascarilla y de la paja de trigo

Calcula el índice de álcalis de la cascarilla #993 (A 20,26 %; K2O 3,71 %; Na2O 0,21 %; PCS 15,84 MJ/kg) y de la paja de trigo #991 (A 4,32 %; K2O 25,20 %; Na2O 1,18 %; PCS 18,46 MJ/kg).

Datos del ejemplo 1
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$A, K_2O, Na_2O, \mathrm{PCS}$	20,26; 3,71; 0,21; 15,84	%, %, %, MJ/kg	Phyllis2 #993 (Miles et al., 1995)
$A, K_2O, Na_2O, \mathrm{PCS}$	4,32; 25,20; 1,18; 18,46	%, %, %, MJ/kg	Phyllis2 #991 (Miles et al., 1995)

Cascarilla: álcalis por kg de combustible.
$0{,}2026 \times 0{,}0392 = 0{,}00794\ \mathrm{kg/kg}$
Dividido entre la energía por kg.
$IA = \frac{0{,}00794}{0{,}01584} = 0{,}50\ \mathrm{kg/GJ}$
Paja de trigo.
$IA = \frac{0{,}0432 \times 0{,}2638}{0{,}01846} = 0{,}62\ \mathrm{kg/GJ}$

Resultado

IA_{casc} = 0{,}50;\quad IA_{trigo} = 0{,}62\ \mathrm{kg/GJ}

Interpretación: Según el umbral de 0,34 kg/GJ, ambas tendrían ensuciamiento «casi seguro». Para la cascarilla, el índice contradice lo que muestran sus temperaturas de fusión (figura siguiente): multiplica mucha ceniza por poco potasio y no ve que ese potasio está diluido en sílice casi pura.

Figura 1Temperatura inicial de deformación de la ceniza frente a la relación álcalis/sílice

La cascarilla, con apenas 0,027 de álcalis por unidad de sílice, empieza a deformarse a 1439 °C. Las pajas de arroz, con la misma familia de sílice pero 0,16–0,22 de álcalis, se deforman entre 823 y 1060 °C. No es la sílice: es el potasio que la acompaña.

Ver los datos en una tabla

Datos de la figura 1: Temperatura inicial de deformación de la ceniza frente a la relación álcalis/sílice
Muestra	Álcalis/sílice	Temperatura de deformación inicial
#375 Cascarilla de arroz	0,027	1.439
#448 Paja de arroz	0,162	823
#449 Paja de arroz	0,19	850
#450 Paja de arroz	0,172	1.060
#451 Paja de arroz	0,219	985
#438 Paja de cebada	0,297	925
#402 Tusa de maíz	0,08	900
#379 Residuo de desmotado de algodón	0,629	1.010
#358 Cáscara de almendra	0,85	790
#354 Cáscara de almendra	1,105	860
#365 Cáscara de nuez	1,66	820
#363 Orujo de aceituna	1,022	850

Fuente: Osman y Goss (1983), ASTM D1857 en atmósfera oxidante, vía TNO Phyllis2 (muestras #354, #358, #363, #365, #375, #379, #402, #438, #448–#451). Relación derivada por biomasa360.

Hipótesis contrastadas

¿La ceniza rica en sílice de la cascarilla de arroz causa escoria en las calderas?

H1 Sí: tanta ceniza y tanta sílice forman escoria.
Evidencia a favor
- La cascarilla tiene ≈20 % de ceniza (Phyllis2) y su ceniza es 89–96 % SiO2 (muestras #375, #452, #993, #2876).
- La sílice reacciona con el potasio y forma silicatos alcalinos de bajo punto de fusión (Tanger et al., 2013).
Evidencia en contra
- Las temperaturas iniciales de deformación medidas en cascarilla son altas: 1439 °C (#375), 1460 °C (#1457) y ≥1400 °C (#452).
- La sílice casi pura funde a temperaturas muy superiores a las de un hogar de parrilla; lo que baja la fusión son los fundentes (K, Na), escasos en la cascarilla.
Fuentes: Phyllis2 (Osman y Goss, 1983; Grover, 1989; Magasiner y de Kock, 1987); Tanger et al. (2013)
H2 No por sí sola: la escoria aparece cuando hay suficiente potasio para formar silicatos; los problemas típicos de la cascarilla son otros (volumen de ceniza, erosión, carbono sin quemar y sílice cristalina).
Evidencia a favor
- En el conjunto de Osman y Goss, la cascarilla (álcalis/sílice 0,027) tiene la mayor temperatura de deformación; las pajas de arroz (0,16–0,22) se deforman 400–600 °C antes.
- La muestra de cascarilla con más potasio (#2876, K2O 5,04 %) tiene la menor temperatura de deformación de las cascarillas (1269 °C).
Evidencia en contra
- Las temperaturas de fusión se miden sobre ceniza preparada en laboratorio; en la caldera la ceniza se forma en condiciones distintas y puede interactuar con otros combustibles o con el refractario (Vassilev et al., 2014).
Fuentes: Phyllis2; Vassilev et al. (2014); Niu et al. (2016)

Certeza alta

Conclusión: Sobrevive H2 con certeza alta para la cascarilla sola: su ceniza es refractaria, y su riesgo principal es mecánico (abrasión, volumen) y de combustión incompleta, no la escoria. La certeza baja a media cuando se mezcla con combustibles ricos en potasio. Pasada adversarial: en la mezcla 70/30 con fibra de palma del ejemplo siguiente la relación álcalis/sílice sube solo de 0,043 a 0,055, todavía muy por debajo de la paja de arroz; el riesgo de mezclar existe, pero depende de la proporción y debe probarse en la caldera.

Ejemplo resuelto 2

¿Qué le pasa a la ceniza si mezclo cascarilla con fibra de palma?

Supuesto del ejemplo: mezcla de 70 % de cascarilla (#993: A 20,26 %; SiO2 91,42 %; K2O 3,71 %; Na2O 0,21 %) y 30 % de fibra de palma (#2237: A 8,40 %; SiO2 63,20 %; K2O 9,00 %; Na2O 0,80 %), en masa seca. Calcula la relación álcalis/sílice de la ceniza de la mezcla.

Datos del ejemplo 2
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$\text{cascarilla}$	A 20,26; SiO2 91,42; K2O 3,71; Na2O 0,21	% bs y % de ceniza	Phyllis2 #993
$\text{fibra}$	A 8,40; SiO2 63,20; K2O 9,00; Na2O 0,80	% bs y % de ceniza	Phyllis2 #2237

Ceniza aportada por 100 kg secos de mezcla.
$70 \times 0{,}2026 = 14{,}18\ \mathrm{kg};\quad 30 \times 0{,}084 = 2{,}52\ \mathrm{kg}$
Sílice total.
$14{,}18 \times 0{,}9142 + 2{,}52 \times 0{,}632 = 14{,}56\ \mathrm{kg}$
Álcalis totales.
$14{,}18 \times 0{,}0392 + 2{,}52 \times 0{,}098 = 0{,}803\ \mathrm{kg}$
Relación.
$\frac{0{,}803}{14{,}56} = 0{,}055\quad (\text{cascarilla sola: } 0{,}043)$

Resultado

\frac{K_2O + Na_2O}{SiO_2} \approx 0{,}055

Interpretación: La fibra aporta poco potasio en esta proporción. El resultado sugiere bajo riesgo de escoria, pero es una aproximación lineal: el comportamiento real de una mezcla se valida con un ensayo de fusión (ISO 21404) y con una prueba en la caldera.

Tabla 1 Índice de álcalis de biomasas con análisis completo (kg de K2O + Na2O por GJ)
Biomasa	Muestra	Ceniza (% bs)	K2O (% ceniza)	Índice de álcalis (kg/GJ)
Bagazo de caña	#416	3,78	2,90	0,12
Paja de trigo	#990	3,89	12,90	0,30
Fibra de palma	#2237	8,40	9,00	0,43
Cascarilla de arroz	#993	20,26	3,71	0,50
Rastrojo de maíz	#704	5,06	20,67	0,58
Paja de trigo	#991	4,32	25,20	0,62
Paja de arroz	#994	18,67	12,30	1,64

Fuente: Derivado por biomasa360 con datos de Phyllis2 (Miles et al., 1995; Magasiner y de Kock, 1987; Bapat et al.; NREL); umbrales de Jenkins et al. (1998) según Tanger et al. (2013).

Figura 2Secuencia de una probeta de ceniza al calentarse: forma inicial, deformación, esfera, hemisferio y fluidez

Ejercicios

Cálculo●○○
Calcula la relación base/ácido de la ceniza de cascarilla #375 (SiO2 94,60; Fe2O3 0,03; CaO 0,25; MgO 0,02; K2O 2,40; Na2O 0,14 %; Al2O3 no informado).
Ver la solución
$B/A = (0{,}03 + 0{,}25 + 0{,}02 + 2{,}40 + 0{,}14) \div 94{,}60 = 0{,}030$ .Muy baja: ceniza ácida y refractaria. (Sin Al2O3 el denominador queda algo subestimado.)
Criterio●●○
Ordena de menor a mayor riesgo de ensuciamiento, según el índice de álcalis, el bagazo, la fibra de palma y la paja de arroz de la tabla, y comenta si el orden te parece físicamente razonable.
Ver la solución
Bagazo (≈0,12) < fibra de palma (≈0,43) < paja de arroz (≈1,64 kg/GJ). Es razonable para la paja de arroz, que combina ceniza alta, potasio alto y cloro; para combustibles con mucha sílice el índice puede exagerar el riesgo, como se vio con la cascarilla.
Caso●●●
Un fabricante de calderas te pide «el índice de escoria» de la cascarilla. Redacta qué análisis le entregarías y por qué.
Ver la solución
Ceniza en base seca (ISO 18122), composición de la ceniza en óxidos (incluido Al2O3 y P2O5), cloro y azufre del combustible (ISO 16994), y temperaturas características de fusión (ISO 21404) en atmósfera oxidante y reductora. Con eso, los índices (álcalis, base/ácido) quedan como contexto y la decisión se apoya en la fusión medida y en una prueba de combustión.

Autoevaluación

¿Qué umbral del índice de álcalis indica ensuciamiento casi seguro según Jenkins et al. (1998)?
1. 0,017 kg/GJ
2. 0,17 kg/GJ
3. 0,34 kg/GJ
4. 3,4 kg/GJ
Ver la respuesta
Respuesta: C. Por encima de 0,17 kg/GJ es probable; por encima de 0,34 kg/GJ, casi seguro.
En los datos de Osman y Goss, ¿qué ceniza tiene la mayor temperatura inicial de deformación?
1. Paja de arroz
2. Cáscara de almendra
3. Cascarilla de arroz
4. Orujo de aceituna
Ver la respuesta
Respuesta: C. La cascarilla (1439 °C), con muy pocos álcalis respecto de la sílice.
¿Qué óxidos aumentan la relación base/ácido?
1. SiO2 y Al2O3
2. K2O, Na2O, CaO, MgO y Fe2O3
3. Solo SiO2
4. P2O5 y SO3
Ver la respuesta
Respuesta: B. Los óxidos básicos (fundentes) van en el numerador; SiO2, TiO2 y Al2O3 en el denominador.

Referencias

Jenkins, B. M., Baxter, L. L., Miles, T. R., Jr., & Miles, T. R. (1998). Combustion properties of biomass. Fuel Processing Technology, 54(1–3), 17–46. https://doi.org/10.1016/S0378-3820(97)00059-3
Miles, T. R., Miles, T. R., Jr., Baxter, L. L., Bryers, R. W., Jenkins, B. M., & Oden, L. L. (1996). Boiler deposits from firing biomass fuels. Biomass and Bioenergy, 10(2–3), 125–138. https://doi.org/10.1016/0961-9534(95)00067-4
Tanger, P., Field, J. L., Jahn, C. E., DeFoort, M. W., & Leach, J. E. (2013). Biomass for thermochemical conversion: Targets and challenges. Frontiers in Plant Science, 4, 218. https://doi.org/10.3389/fpls.2013.00218
Niu, Y., Tan, H., & Hui, S. (2016). Ash-related issues during biomass combustion: Alkali-induced slagging, silicate melt-induced slagging (ash fusion), agglomeration, corrosion, ash utilization, and related countermeasures. Progress in Energy and Combustion Science, 52, 1–61. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2015.09.003
Vassilev, S. V., Baxter, D., Andersen, L. K., & Vassileva, C. G. (2013). An overview of the composition and application of biomass ash. Part 1. Phase–mineral and chemical composition and classification. Fuel, 105, 40–76. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2012.09.041
Vassilev, S. V., Baxter, D., & Vassileva, C. G. (2014). An overview of the behaviour of biomass during combustion: Part II. Ash fusion and ash formation mechanisms of biomass types. Fuel, 117, 152–183. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2013.09.024
Garcia-Maraver, A., Mata-Sanchez, J., Carpio, M., & Perez-Jimenez, J. A. (2017). Critical review of predictive coefficients for biomass ash deposition tendency. Journal of the Energy Institute, 90(2), 214–228. https://doi.org/10.1016/j.joei.2016.02.002
International Organization for Standardization. (2020). Solid biofuels — Determination of ash melting behaviour (ISO 21404:2020). https://www.iso.org/standard/70868.html
TNO. (2026). Phyllis2: Database for the physico-chemical composition of (treated) lignocellulosic biomass, micro- and macroalgae, various feedstocks for biogas production and biochar [Base de datos]. Consultado el 25 de octubre de 2026. https://phyllis.nl/

Para profundizar

Niu, Tan y Hui (2016), Progress in Energy and Combustion Science. — La revisión más completa sobre escoria inducida por álcalis, fusión de silicatos, aglomeración, corrosión y contramedidas.
Garcia-Maraver et al. (2017), Journal of the Energy Institute. — Revisión crítica de los coeficientes empíricos que se usan para predecir la deposición de ceniza de biomasa y de sus limitaciones.
Miles et al. (1996), Biomass and Bioenergy. — Estudio de los depósitos formados en calderas que queman biomasa, del mismo grupo que propuso el índice de álcalis.

Cómo citar esta lección

APA 7, para tu tesis o tu informe:

Equipo docente de biomasa360. (2026). Química de cenizas: escoria, ensuciamiento y lo que dicen (y no dicen) los índices (Versión 2026-10) [Lección del curso «Caracterización fisicoquímica de la biomasa»]. Academia 360, biomasa360. Recuperado el 26 de octubre de 2026, de https://biomasa360.com/academia/caracterizacion-fisicoquimica/quimica-de-cenizas-e-indices/

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