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Industrias de Transformación Química Industrias de Transformación QuímicaProceso de Obtención de Proceso de Obtención de
Carbón Vegetal Carbón Vegetal
Proceso de Obtención de Proceso de Obtención de
Carbón Vegetal
Carbón Vegetal
H. G. WINKELMANN
Director del Departamento Central de Silvicultura de Solothurn, Suiza
“La madera sigue siendo una fuente principal de
combustible para la cocina y la calefacción del hogar”.
“Generalmente se quema la leña con grave desperdicio, pese a ser relativamente sencillo el diseño de aparatos
adecuados, para obtener de ésta el máximo rendimiento
calorífico”.
Materia Prima: Madera
Composición Química
Extraíbles Componentes de
la pared celular
Lignina
Hemicelulosa Celulosa
Resinas
Mucílagos Gomas
Taninos
Proporciones en los vegetales leñosos:
Lignina Hemicelulosa
Celulosa Maderas blandas
Maderas duras
25 – 35 % 20 - 25 %
40 – 45 %
40 – 45 % 20 – 35 % 20 – 25 %
Coníferas: 50 / 20 / 30 Latifoliada: 50 / 30 / 20 Manteniendo una relación aproximada de:
Según Díaz A., 1986
Composición Química de
la Materia Prima
Influencia de la Materia Prima
Celulosa
Hemicelulosa
Lignina
Polímero lineal.
Conjunto de compuestos polimerizados y ramificados.
D – glucosa: C6 H10 O5.
D – xilosa: C5 H10 O5 (LATIF) D – manosa: C6 H12 O6 (CONIF)
Agente de unión de las fibras de celulosa.
Compuesto tridimensional, con compuestos de fenilpropano, gran número de ciclos aromáticos unidos por ciclos furanos y éster.
La composición química influye en los gases emitidos en la combustión y en la composición química de la ceniza.
Métodos térmicos de conversión
La biomasa forestal por efectos de la temperatura se descompone en una gran variedad de sustancias volátiles y un residuo carbonoso amorfo de elevada porosidad.
El residuo carbonoso constituye el producto de mayor interés comercial de la pirólisis, también es de gran valor el aprovechamiento de gases con fines energéticos.
La calidad del carbón vegetal se evalúa principalmente, por su
contenido de carbono, materia volátil, cenizas y humedad,
pudiéndose destinar a usos energéticos.
Modelo para la descomposición térmica
CO2 + H20 O2
CO2 + H20 CO + H2
O2 O2/H20/CO2
Descomposición térmica de la madera
Tiempo de Ciclo de Obtención de Carbón Vegetal
Tiempo de Carga del Horno
Tiempo de Carboneo
Tiempo de Enfriado del Carbón Tiempo de Descarga
+ + +
A mayor tecnología, menor tiempo de ciclo:
- Modalidad artesanal: 20-35 días
- Modalidad industrial: < 1 día
Fases de la Carbonización
Durante la carbonización tiene lugar la reorganización de los átomos de carbono en estructuras microcristalinas tipo grafito.
Desde la temperatura ambiente hasta la temperatura final de reacción se pueden observar diferentes períodos bien diferenciados.
Se debe interponer una barrera física entre el combustible y el aire, de manera de poder controlar el ingreso del aire durante la combustión.
Secado
Residuo Sólido:
Cantidad de Humos:
Humos:
Poder Calorífico:
Gases no Condensables:
Contenido de carbono en el Residuo Sólido:
Tipo de Reacción:
Rango de Temperatura:
Madera Seca
Muy Pequeña.
H2O
1.000 Kcal/kg
CO2 (38%), CO (30%), CmHn (2%).
50 – 60 %.
Endotérmica.
Desde temperatura ambiente a 200 º C.
Residuo Sólido:
Cantidad de Humos:
Humos:
Poder Calorífico:
Gases no Condensables:
Contenido de carbono en el Residuo Sólido:
Tipo de Reacción:
Rango de Temperatura:
Madera torrificada o tizón.
Pequeña.
H2O, Acético
1.200 Kcal/kg
CO2 (67%), CO (30%), CmHn (3%).
60 – 70 %.
Endotérmica.
Desde 200 a 280 º C.
Precarbonización
Residuo Sólido:
Cantidad de Humos:
Humos:
Poder Calorífico:
Gases no Condensables:
Contenido de carbono en el Residuo Sólido:
Tipo de Reacción:
Rango de Temperatura: Desde 280 a 350 º C.
Exotérmica.
70 – 78 %.
CO2 (36%), CO (21%), H2 (7%), CmHn (36%)
3.900 Kcal/kg
Acético, Metanol, Alquitranes livianos.
Impactante.
Carbón Vegetal con Volátiles.
Auto - Carbonización
Carbonización
Residuo Sólido: Carbón Vegetal.
Cantidad de Humos:Impactante.
Humos: Alquitranes pesados.
Poder Calorífico: 4.500 Kcal/kg
Gases no Condensables: CO2 (12%), CO (25%), H2(43%), CmHn(20%)
Contenido de carbono en el Residuo Sólido: 78 – 85 %.
Exotérmica.
Tipo de Reacción:
Desde 350 a 500 º C.
Rango de Temperatura:
Enfriamiento
Rango de Temperatura:
Disminución hasta la temperatura ambiente.Se interrumpe por completo el ingreso del oxígeno, cerrando
todas las toberas.
Aspecto del humo en las fases
FASE
TIPO DE HUMO
OLOR DEL HUMO
SENSACIÓN DEL HUMO
APERTURA DE HUMEROS
IGNICIÓN DESHIDRATACIÓN EXOTERMIA ENFRIAMIENTO
Denso oscuro
Denso, blanco ondulante a medida
que desprende la humedad
Delgado, amarillo a medida que la leña
empieza a descomponerse
Más denso, humo azul a medida que
empieza a quemarse el carbón
Ninguno
Como leña quemándose
Caliente
Abierto Entre abierto Medio Entre cerrado Cerrado
Frío húmedo Caliente
Ninguno
Ninguno Más caliente
Carbón quemándose Alcohol y
metano
Influencia de las variables del proceso
Temperatura.
Materia prima utilizada.
Tecnología de carbonización.
Influye al condicionar los siguientes factores:
Velocidad de calentamiento.
Tiempo de residencia en el horno.
Forma de escape de las sustancias volátiles.
Oxígeno libre.
Temperatura Temperatura
Influye en la composición química del carbón, es una variable importante.
La calidad del carbón obtenido aumenta con la temperatura.
A medida que aumenta el carbono fijo, aumenta el poder calorífico y disminuyen los volátiles.
Temperatura Temperatura
Poder calorífico
Rendimiento
A medida que aumenta la temperatura, aumenta el poder calorífico y disminuyen el rendimiento.
Si el aumento de la temperatura es rápido se incrementan los gases desprendidos.
Oxígeno libre Oxígeno libre
Afecta la producción mediante las reacciones de oxidación que produce.
El exceso de Oxígeno puede provocar que arda la madera antes de ser carboneada o mientras se esta carboneando.
Se controla por el aire atmosférico de entrada.
Con velocidades altas se induce a la conversión del combustible en productos volátiles.
Velocidad de calentamiento Velocidad de calentamiento
La entrada de aire influye en la composición química del carbón y condiciona la velocidad de calentamiento.
Si la velocidad de calentamiento se produce de forma muy rápida se fomenta la producción de gases.
Procesos en que se llega los 800 – 900 º C en unos minutos.
En última instancia es la tecnología de carbonización
quien condiciona la calidad del carbón vegetal.
Carbón Vegetal
Carbón Vegetal
Definiciones:
Francisco Marcos Martín
“Material con gran superficie específica muy apto para su uso como filtro”.
“Combustible sólido de color negro con mayor poder calorífico que la madera”.
“Es el producto de la Combustión incompleta de la madera”.
Kollmann
El Carbón vegetal tiene un mayor contenido en Carbono que la madera”.
Propiedades:
Poder calorífico.
Composición química elemental.
Químicas
Resistencia a la compresión.
Humedad.
Superficie específica.
Densidad.
Físicas
Forma, color y aspecto.
Tamaño.
Forma, color y aspecto.
Forma, es semejante a la leña o porción de madera de la que procede.
Color, es negro brillante.
Brillo, es debido a los líquidos piroleñosos que quedan en la materia sólida al carbonear.
Aspecto, es muy variable.
En el proceso de carbonización de la leña se produce un cambio de la composición química pero no se debe alterar su estructura física, para mantener la alta superficie especifica de la madera.
Densidad
Es función del material cargado en el horno, puede aumentar la densidad con la presión aplicada durante el proceso de elaboración.
Depende fundamentalmente de la madera utilizada para su obtención.
Es una propiedad física bastante importante.
Las maderas procedentes de regiones secas, producen un carbón consistente, duro y mas denso que el de las regiones húmedas y con maderas menos densas.
Medida de cuánta masa hay contenida en una unidad de volumen (densidad = masa/volumen).
Superficie específica
Es importante para algunas industrias, materiales con alta superficie especifica suelen tener un poder de absorción de gases muy alto.
Para que tenga un alto poder de absorción es necesario que los poros no estén ocluidos por material alquitranoso, poco volátiles.
Es el porcentaje de poros del carbón vegetal (diferencia entre densidad real y densidad aparente).
Está muy relacionada con la porosidad de la madera utilizada.
O área superficial, se define como el área de la superficie externa más el área de la superficie interna (en el caso de que ésta exista) de las partículas constituyentes, por unidad de masa, expresada en m2/g.
Existen sustancias como el cloruro de Zinc, los ácidos bóricos, ácidos
fosfórico que facilitan la volatilización o descomposición de los materiales alquitranosos.
Humedad
En el carbón vegetal seco al aire la humedad oscila entre el 4 y 9,5 %.
El carbón vegetal es inerte, es decir aumenta muy poco su humedad con el tiempo, es una ventaja frente a la madera.
Influye mucho más en el rendimiento del carbón vegetal que la especie del que se obtiene.
Es la presencia indeseada de agua en estado líquido en zonas, épocas y períodos variables.
Resistencia a la compresión
Para la industria metalúrgica, que emplea el carbón vegetal, es una propiedad física importante.
Resistencias pequeñas (material frágil) ante el sometimiento a diferentes presiones se convierte en carbonilla o polvo, obturando conductos por donde pueda circular.
Resistencia perpendicular a las fibras.
Resistencia paralela a las fibras.
Se mide igual que en la madera:
La resistencia a la compresión suele ser mayor en el sentido paralelo a las fibras que en el sentido perpendicular.
Esfuerzo máximo que presenta un material a la compresión sin romperse.
Composición química elemental.
La tecnología de carbonización condiciona la cantidad de carbono.
El Carbón Vegetal está compuesto principalmente por Carbono, algo de Hidrógeno y Oxígeno, cantidades mínimas de Nitrógeno.
La composición química elemental está en función de:
1 - La materia prima utilizada.
2 - Temperatura de carbonización.
3 - Tecnología de carbonización:
A – Velocidad de calentamiento.
B – Tiempo de residencia en el horno.
C – Forma de escape de las sustancias volátiles.
Empleando especies con mayor contenido de carbono se producirá un
carbón vegetal con un contenido más alto de carbono y de un mayor poder calorífico.
La composición varia en función
de la temperatura.
Poder calorífico
Define la calidad del combustible.
Depende de su composición química (a mayor % C, mayor poder calorífico).
Es la cantidad de energía que desprende una unidad de masa de un combustible al producirse una reacción química de oxidación.
Poder Calorífico Superior
Poder Calorífico Inferior
Considera que el vapor de agua no está condensado en los gases de la combustión y por lo tanto no hay aporte adicional de calor.
Considera que el vapor de agua se encontrará totalmente condensado en los gases de la combustión, dando un aporte adicional de calor.
Poder calorífico
Combustible
+
aire
Gases de combustión+ CALOR + calor
C e H2
+
O2 y N2 CO2 + H2O + N2 Calor deoxidación del combustible
Poder calorífico
inferior
Poder calorífico superior
+
Calor decondensación del vapor de agua
+
Poder Calorífico Inferior los gases de la combustión se escapan como tales, y el agua del combustible se libera como vapor.
Poder Calorífico Superior los gases se recogen condensados.
Corresponde a la energía generada producida teniendo en cuenta el calor latente de vaporización absorbido por el vapor de agua producido.
Tipos de Carbón Comercial
• Carbón de Mezcla Pesada: mezcla de maderas duras Guayabo, Guayacán, Carandá, Algarrobillo y Quebracho Colorado.
Este producto es de alto valor energético que genera una gran fuente de calor, con muy baja concepción de chispas y de encendido medianamente fácil, por lo cual permite ser ocupado tanto para uso domestico, cadenas de restaurantes, comedores y panaderías (Parrillas, asadores, hornos, salamandras, calefacciones y calderas), como también en uso industrial (hornos y calderas), ya que su poder calórico satisface todas las necesidades.
• Carbón de Mezcla Liviana: A diferencia del anterior producto, se caracteriza por la utilización de maderas blandas y preferentemente de color blanco como ser Guayaibí, Palo lanza, Espina corona, Urunday y Quebracho blanco en su mayoría.
El valor energético de este producto es de mediano valor y también satisface las necesidades para uso domestico en su mayoría, ya que la concepción de chispa es casi nula y su
encendido resulta muy fácil, por lo cual es muy usado en restaurantes y comedores, (Parrillas, asadores y hornos).
• Carbón de Quebracho Colorado: Debido a la madera utilizada, este carbón posee características muy particulares, como ser su alto concepción de chispas, su gran poder energético y calórico, y el brillo que presenta en su aspecto resquebrajado.
De encendido medianamente fácil y alto peso específico por lo cual es usado generalmente en industrias metalúrgicas y siderurgias para calentamiento de grandes hornos y calderas.
• Carbonilla: Las prestaciones de este producto son similares a las del Quebracho colorado y también es usado para la fabricación de briquetas.
Este producto nace en el proceso de empaque de los demás productos ofrecidos, ya que por su escasa granulometría, no queda en la zaranda de separación del proceso antes
mencionado, pero sus características surgen de una ecuación del remanente de los demás productos.
Ejemplo de Carbonera en Santiago del Estero: Sachamanta
1. Recupero de producto forestal desmontado.
La empresa ha realizado convenios con propietarios de
montes - contratos de aprovechamiento de la masa forestal
autorizada a desmontar por la Dirección de Bosques de la
provincia.
Ejemplo de Carbonera en Santiago del Estero: Sachamanta
2. Corte y fletada a los hornos: El producto forestal de maderas de alto poder calórico tales como el quebracho
blanco, el itin, el mistol, el guayacan y el algarrobo es cortado por los hacheros en trozos de 1,20 m para ser cargados en los acoplados y llevados al horno por los equipos de
fletadores.
3. Carbonización: Arribado al pie del horno la leña es descargada por los fletadores iniciando el proceso de
carbonización por parte de los maestros quemadores quien con su equipo llenan los hornos de leña, los cierran con
ladrillo y barro y proceden a la quema la cual demora
aproximadamente 15 días hasta que el carbón de máxima calidad puede ser retirado del horno.
Ejemplo de Carbonera en Santiago del
Estero: Sachamanta
4. Traslado a Planta Procesadora.
El equipo de playa carga el carbón en bolsones "big bag"
sobre camión y el producto viaja a la planta clasificadora en Tintina.
Ejemplo de Carbonera en Santiago del
Estero: Sachamanta
5. Envasado y Estibado
Arribado al galpón la carga es ingresada en un túnel desde el cual el carbón clasificado es direccionado hacia las envasadoras las cuales trabajan de acuerdo al envase que se este llenado en ese momento sea de 3,4,10,15 o 18 kg. Cumplida esta etapa, se procede al estibado.
Ejemplo de Carbonera en Santiago del
Estero: Sachamanta
Acacia Negra Gleditsia triacanthos
Características de la Especie
Leñosa caducifolia, familia Leguminosas, originaria del este y centro de Estados Unidos.
Crecen hasta 20 m de altura y poseen espinas prominentes generalmente 3- ramificadas.
El fruto es una legumbre negra azucarada, comestible para el ganado, que escarifica las semillas facilitando la emergencia de nuevas plántulas en zonas no colonizadas.
Prefiere un clima templado cálido con precipitación anual entre 500 y 1500 mm.
Reproducción por semillas que se producen
en grandes cantidades y se mantienen
viables por más de 20 años.
Situación en la provincia de Buenos Aires
Esta especie es considerada una invasora exitosa ya que posee características que favorecen su rápida expansión, por ejemplo su rápido crecimiento (60 cm/ año), alta tasa de emergencia, período juvenil corto y una alta producción de semillas.
Forma matas densas a lo largo de las márgenes de cuerpos de agua, impide el acceso del ganado a los mismos y contribuye a acentuar los procesos de obstaculización de arroyos y ríos.
Acacia Negra Gleditsia triacanthos
Acacia Negra Gleditsia triacanthos
Alternativas de uso
- Problema de las espinas
-Manejo con agroquímicos puede resultar ecotóxico.
-Apta para usos de construcción y mueblería
- Apta para usos dendroenergéticos (carbón, pelletización, etc) faltan estudios técnicos.
INTI
Maderas y Muebles
Carbonización de Acacia Negra
Carbonización de Acacia Negra
Bibliografía
El carbón vegetal – propiedades y obtención. Marcos Martín, Francisco. Edición Mundi-Prensa, 1989.
Los Biocombustibles. Camps Michelena, Manuel y Marcos Martín, Francisco. Edición Mundi-Prensa, 1989.
Métodos simples para la fabricación de carbón vegetal. F.A.O. N 41.
Conversión térmica de biomasa forestal. Ogara, Mario; Grünhut , E y Bermejo, M . INTI, 1987.
Biomasa, Manuales sobre energías renovables. GEF - PNBU, 2002.
