Proceso de Obtencin de Carbn Vegetal Industrias de

Proceso de Obtención de Carbón Vegetal Industrias de Transformación Química -Curso 2019 -

“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”. H. G. WINKELMANN Director del Departamento Central de Silvicultura de Solothurn, Suiza

Materia Prima: Madera Composición Química Componentes de la pared celular Extraíbles Celulosa Taninos Hemicelulosa Resinas Lignina Gomas Mucílagos

Composición Química de la Materia Prima Proporciones en los vegetales leñosos: Celulosa Maderas blandas 40 – 45 % Maderas duras 40 – 45 % Hemicelulosa 20 - 25 % 20 – 35 % Lignina 25 – 35 % 20 – 25 % Manteniendo una relación aproximada de: Coníferas: 50 / 20 / 30 Latifoliada: 50 / 30 / 20 Según Díaz A. , 1986

Influencia de la Materia Prima Celulosa Polímero lineal. D – glucosa: C 6 H 10 O 5. Hemicelulosa Conjunto de compuestos polimerizados y ramificado D – xilosa: C 5 H 10 O 5 (LATIF) D – manosa: C 6 H 12 O 6 (CONIF) Lignina 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 CO 2 + H 20 O 2/H 20/CO 2 CO + H 2 O 2 CO 2 + H 20

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 Rango de Temperatura: Desde temperatura ambiente a 200 º C. Tipo de Reacción: Endotérmica. Contenido de carbono en el Residuo Sólido: 50 – 60 %. Gases no Condensables: CO 2 (38%), CO (30%), Cm. Hn (2%). Poder Calorífico: 1. 000 Kcal/kg Humos: H 2 O Cantidad de Humos: Muy Pequeña. Residuo Sólido: Madera Seca

Precarbonización Rango de Temperatura: Desde 200 a 280 º C. Tipo de Reacción: Endotérmica. Contenido de carbono en el Residuo Sólido: 60 – 70 %. Gases no Condensables: CO 2 (67%), CO (30%), Cm. Hn (3%). Poder Calorífico: 1. 200 Kcal/kg Humos: H 2 O, Acético Cantidad de Humos: Pequeña. Residuo Sólido: Madera torrificada o tizón.

Auto - Carbonización Rango de Temperatura: Desde 280 a 350 º C. Tipo de Reacción: Exotérmica. Contenido de carbono en el Residuo Sólido: 70 – 78 %. Gases no Condensables: CO 2 (36%), CO (21%), H 2 Poder Calorífico: 3. 900 Kcal/kg Humos: Acético, Metanol, Alquitranes livianos. Cantidad de Humos: Impactante. Residuo Sólido: Carbón Vegetal con Volátiles. (7%), C m Hn (36%)

Carbonización Rango de Temperatura: Desde 350 a 500 º C. Tipo de Reacción: Exotérmica. Contenido de carbono en el Residuo Sólido: 78 – 85 %. Gases no Condensables: CO 2 (12%), CO (25%), H 2(43%), Cm. Hn(20%) Poder Calorífico: 4. 500 Kcal/kg Humos: Alquitranes pesados. Cantidad de Humos: Impactante. Residuo Sólido: Carbón Vegetal.

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 IGNICIÓN Denso oscuro DESHIDRATACIÓN EXOTERMIA ENFRIAMIENTO Denso, blanco Delgado, amarillo a Más denso, humo ondulante a medida que la leña azul a medida que empieza a que desprende la empieza a quemarse el carbón humedad descomponerse Como leña quemándose Alcohol y metano SENSACIÓN DEL HUMO Caliente Frío húmedo APERTURA DE HUMEROS Abierto Entre abierto Más caliente Medio Carbón quemándose Caliente Entre cerrado Ninguno Cerrado

Influencia de las variables del proceso Materia prima utilizada. Temperatura. Tecnología de carbonización. Influye al condicionar los siguientes factores: Velocidad de calentamiento. Oxígeno libre. Tiempo de residencia en el horno. Forma de escape de las sustancias volátiles.

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 A medida que aumenta la temperatura, aumenta el poder calorífico y disminuyen el rendimiento. Poder calorífico Rendimiento Si el aumento de la temperatura es rápido se incrementan los gases desprendidos.

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.

Velocidad de calentamiento Con velocidades altas se induce a la conversión del combustible en productos volátiles. 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

Definiciones: “Es el producto de la Combustión incompleta de la madera”. Kollmann “Combustible sólido de color negro con mayor poder calorífico que la madera”. “Material con gran superficie específica muy apto para su uso como filtro”. Francisco Marcos Martín El Carbón vegetal tiene un mayor contenido en Carbono que la madera”.

Propiedades: Físicas Forma, color y aspecto. Tamaño. Densidad. Superficie específica. Humedad. Resistencia a la compresión. Químicas Composición química elemental. Poder calorífico.

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 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 Medida de cuánta masa hay contenida en una unidad de volumen (densidad = masa/volumen). Es una propiedad física bastante importante. Depende fundamentalmente de la madera utilizada para su obtención. Es función del material cargado en el horno, puede aumentar la densidad con la presión aplicada durante el proceso de elaboración. 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.

Superficie específica 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 m 2/g. Está muy relacionada con la porosidad de la madera utilizada. Es el porcentaje de poros del carbón vegetal (diferencia entre densidad real y densidad aparente). 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. Existen sustancias como el cloruro de Zinc, los ácidos bóricos, ácidos fosfórico que facilitan la volatilización o descomposición de los materiales alquitranosos.

Humedad Es la presencia indeseada de agua en estado líquido en zonas, épocas y períodos variables. Influye mucho más en el rendimiento del carbón vegetal que la especie del que se obtiene. El carbón vegetal es inerte, es decir aumenta muy poco su humedad con el tiempo, es una ventaja frente a la madera. En el carbón vegetal seco al aire la humedad oscila entre el 4 y 9, 5 %.

Resistencia a la compresión Esfuerzo máximo que presenta un material a la compresión sin romperse. Se mide igual que en la madera: Resistencia paralela a las fibras. Resistencia perpendicular a las fibras. La resistencia a la compresión suele ser mayor en el sentido paralelo a las fibras que en el sentido perpendicular. Resistencias pequeñas (material frágil) ante el sometimiento a diferentes presiones se convierte en carbonilla o polvo, obturando conductos por donde pueda circular. Para la industria metalúrgica, que emplea el carbón vegetal, es una propiedad física importante.

Composición química elemental. El Carbón Vegetal está compuesto principalmente por Carbono, algo de Hidrógeno y Oxígeno, cantidades mínimas de Nitrógeno. La tecnología de carbonización condiciona la cantidad de carbono. 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 Es la cantidad de energía que desprende una unidad de masa de un combustible al producirse una reacción química de oxidación. Depende de su composición química (a mayor % C, mayor poder calorífico). Define la calidad del combustible. Poder Calorífico Superior Considera que el vapor de agua se encontrará totalmente condensado en los gases de la combustión, dando un aporte adicional de calor. 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.

Poder calorífico Combustible C e H 2 + + aire O 2 y N 2 Gases de combustión CO 2 + H 2 O + N 2 + + CALOR Calor de oxidación del combustible + calor Calor de condensación del vapor de agua + Poder calorífico inferior Poder calorífico superior Poder Calorífico Superior los gases se recogen condensados. Poder Calorífico Inferior los gases de la combustión se escapan como tales, y el agua del combustible se libera como vapor. 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.

Ejemplo de Carbonera en Santiago del Estero: Sachamanta 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.

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.

Acacia Negra Gleditsia triacanthos Situación en Buenos Aires la provincia de 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 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 Biomasa, Manuales sobre energías renovables. GEF - PNBU, 2002. Conversión térmica de biomasa forestal. Ogara, Mario; Grünhut , E y Bermejo, M. INTI, 1987. 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.