iUNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA ______________________________________________________________________________ DPTO. DE INDUSTRIAS FORESTALES: Área Transformación Química PRODUCTOS FORESTALES DE TRANSFORMACIÓN QUÍMICA PARTE I Transformación Química de la Madera Copias del Curso HÉCTOR ENRIQUE GONZALES MORAθ LIMA, 2013 θ Ing. Forestal e Ing.Papelero; M.Sc. en Industrias Forestales, Ph.D. en Génie papetier, Profesor Principal del Dpto.Industrias Forestales de la Universidad Nacional Agraria, La Molina 04/05/13 E. Gonzales Mora UNALM- Dpto. Industrias Forestales. Prod. Forestales Transf. Química iii ÍNDICE VI. DESCOMPOSICION TERMICA DE LA MADERA ................................................................................. 2 6.1 FORMAS DE DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA ....................................................................................................... 2 6.2 ENERGIA Y TERMOQUIMICA ................................................................................................................. 3 6.2.1 Energía ................................................................................................................................................... 3 6.2.2 Combustión ............................................................................................................................................ 3 6.2.3 Termoquímica ........................................................................................................................................ 3 6.2.4 Entalpía .................................................................................................................................................. 3 6.2.5 Capacidad calórica ................................................................................................................................ 3 6.2.6 Calor específico (Ce) ............................................................................................................................. 3 6.2.7 Calor de Combustión ............................................................................................................................. 3 6.2.8 Combustible ........................................................................................................................................... 4 6.2.9 Poder calórico........................................................................................................................................ 5 6.3 ENERGIA Y COMBUSTION DE LA MADERA ........................................................................................ 6 6.3.1 Definición de leña .................................................................................................................................. 6 6.3.2 Producción de Leña en el Mundo .......................................................................................................... 6 6.3.3 Especies Forestales para Combustible .................................................................................................. 7 6.3.4 Balance Energético en la Combustión ................................................................................................... 7 VII CARBONIZACIÓN DE LA MADERA ..................................................................................................... 10 7.1 ANTECEDENTES........................................................................................................................................... 10 7.2 DEFINICIÓN DEL CARBÓN VEGETAL Y CARBONIZACIÓN .............................................................................. 11 7.3 ETAPAS DE LA CARBONIZACIÓN................................................................................................................... 11 7.4 FORMAS DE CALENTAMIENTO ..................................................................................................................... 12 7.5 ECUACIÓN DE LA CARBONIZACIÓN .............................................................................................................. 12 7.6 INFLUENCIA DE LA HOLOCELULOSA Y DE LA LIGNINA SOBRE LOS PRODUCTOS DE CARBONIZACIÓN .......... 13 7.7 INFLUENCIA DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LA MADERA DURANTE LA CARBONIZACIÓN ............................. 13 7.8 PREPARACIÓN DE LA MADERA PARA CARBONIZACIÓN ................................................................................ 14 7.9 MÉTODOS DE CARBONIZACIÓN .......................................................................................................... 15 7.9.1 Método de Fosas .................................................................................................................................. 15 7.9.2 Método de Parvas ................................................................................................................................ 15 7.9.3 Hornos de Carbonización .................................................................................................................... 16 7.9.4 Ciclo de Carbonización........................................................................................................................ 18 7.10 CARACTERÍSTICAS DEL CARBÓN VEGETAL: EVALUACIÓN DE CALIDAD .................................................... 18 a) Apariencia ................................................................................................................................................ 18 b) Composición ............................................................................................................................................. 18 c) Poder calórico (Pc)................................................................................................................................... 19 e) Peso específico y Volúmen ........................................................................................................................ 20 f) Superficie específica (SE) .......................................................................................................................... 20 7.11 USOS DEL CARBON VEGETAL .................................................................................................................... 20 7.11.1 Utilización como recurso energético ................................................................................................. 21 7.11.2 Utilización en Metalurgia .................................................................................................................. 21 7.11.3 Elaboración de Carburo .................................................................................................................... 21 7.11.4 Uso como Aditivo en Pienso para animales ....................................................................................... 22 7.11.5 Fabricación de Carbón Activado ....................................................................................................... 22 7.12 DESTILACION SECA.............................................................................................................................. 23 7.12.1 Productos de Destilación ................................................................................................................... 24 7.13 ANALISIS DE COSTOS EN CARBONIZACION.................................................................................................. 25 7.14 LA CARBONIZACIÓN EN EL PERÚ ............................................................................................................... 26 7.15 PROBLEMAS ........................................................................................................................................... 27 PROBLEMA 7.1 ............................................................................................................................................ 27 PROBLEMA 7.2 ............................................................................................................................................ 28 PROBLEMA 7.3 ............................................................................................................................................ 29 PROBLEMA 7.4 ............................................................................................................................................ 29 PROBLEMA 7.5 ............................................................................................................................................ 29 PROBLEMA 7.6 ............................................................................................................................................ 30 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................................. 31 E. Gonzales Mora 04/05/13 Definición. Dentro de este caso se considera a: . aeróbicas y anaeróbicas. con composición elemental variable de carbono. La energía térmica altera los enlaces entre las unidades que conforman los polímeros (holocelulosa y lignina). con cambios. Ver figura 6. cambia con la humedad. el poder calórico de la madera. como materia para la industria química. por reducción. que conlleva a la formación de cada uno de los componentes orgánicos. mayor rendimiento y eficiencia.. Forestales Transf. hasta la obtención de gas combustible CO o gas de síntesis (CO y H2). C-O . 6. C=C. pollerías). se obtiene el carbón vegetal como único producto. En la gasificación.La descomposición térmica es un proceso de transformación. involucra la presencia del aire durante toda la reacción. Química 2 VI. 55 ° C. gas. siendo el único caso el de: . aunque el rendimiento es bajo y mayor el costo unitario. el oxígeno interviene junto con los componentes de la madera. carbón mineral. En la carbonización y destilación seca de la madera. que ocurren en la composición química de la madera por acción del calor. se impide la presencia del aire en la reacción.). pero además hay recuperación de los destilados (formados durante la reacción) por condensación. los elementos se agrupan con enlaces del tipo C-C . los gases obtenidos son de alto poder calórico. energéticos. Ahora se considera a: . que considera la presencia del aire. (iii) En ambas condiciones. con poca cantidad de oxígeno y temperaturas menores a 1000 ° C .Dpto. catalizada por la temperatura (mayor a 200 ° C) y favorecida por las características de la materia prima (tamaño y humedad). de igual manera. irreversibles. la madera se descompone a partir de los 200 ° C. se busca descomponer la madera por oxidación hasta combustión. hidrógeno y oxígeno.carbonización. el CO2 y oxígeno del aire. etc. lo que se busca es principalmete la obtención de energía a partir de la madera. igual que el caso anterior. que mantienen una energía química de unión. hay exceso de oxígeno en la reacción y temperaturas mayores a 1000 ° C (ii) En condiciones anaeróbicas. Gonzales Mora FIGURA 6. insumo químico. compleja en su composición y formación. entre los nutrientes del suelo. El uso energético se justifica en pequeña escala. Industrias Forestales. se lleva a cabo entre 400 ° Ca E. utilizado con diferentes fines. . metalurgia. etc.gasificación. y luego sobre el valor de los 1000 ° C. además.1. aunque algunos autores suelen mencionar este término sólo para descomposición en medio anaeróbico.1: Productos obtenidos de la madera por pirolisis y combustión 04/05/13 . varia de 2000 a 4000 kcal/kg. la ausencia o mínima presencia de azufre en su composición la hace apropiada para uso en combustión de fuego directo (cocina artesanal. parcial o total. debido al alto costo relativo del carbón vegetal frente a otras fuentes tradicionales de energía (petróleo. el objetivo principal es la obtención del carbón vegetal.1 Formas Térmica de Descomposición La descomposición de la madera por efecto del calor se clasifica según las condiciones del medio de reacción. con menor costo de proceso.combustión total. Prod. Tanto en la combustión como en la gasificación. DESCOMPOSICION TERMICA DE LA MADERA La estructura química de la madera. es el método de mayor aprovechamiento. a presión atmosférica: (i) En condiciones aeróbicas. así como de la energía solar. viene a ser el resultado de una serie de reacciones bioquímicas en el árbol.UNALM. En el caso de combustión. En cada componente. desdoblándolos en unidades simples o polímeros de menor peso molecular.combustión parcial. sucesivas. a diferencia del anterior. entre otros.destilación seca. A la descomposición térmica se la denomina pirólisis. en reacción. térmica. la clasifica en e. es necesario tener en cuenta algunos conceptos sobre Termoquímica. el caso contrario. cuyo valor se acumula.2. Tf: temperatura final A su vez se tienen variantes de los conceptos: Cp: capacidad calórica a presión constante Cv: capacidad calórica a volumen constante Por regla general Cp . nuclear y radiante. dependiendo del tiempo de reacción. Dado que los valores varian con T. 6. de los coeficientes de conductividad y capacidad calórica.Dpto.7 Calor de Combustión Tambien llamada entalpía de combustión. Este concepto suele confundirse con el propio concepto de caloría la que se define como una unidad energética 1 caloria = 4. Como producto de las reacciones se libera energía química que se transforma en calor. como la energía cinética de las moléculas .6 Calor específico (Ce) Calor requerido para elevar la temperatura de 1 g de una sustancia en 1 °C.2. Forestales Transf.Cv ≈ 2 calorías 6.la energía química. en una cocina. Sus unidades de expresión. Los cambios de energía interna (dE) se relacionan con la primera ley de la Termodinámica o de la conservación de la energía. procede de la capacidad de los átomos para desarrollar calor al combinarse o separarse. es el calor de reacción liberado por una sustancia quemada. en el sistema CGS.2.4 Entalpía La entalpía (H) es el contenido calórico de un sistema y se expresa mediante la ecuación: H = E + pV E: energía interna del sistema. este valor se mide en un calorímetro. que reacciona con el oxígeno del aire. el calor se mantiene como energía térmica en sus moléculas. como energía térmica.2.UNALM. eléctrica. que depende de la naturaleza química de las sustancias involucradas. siendo 6. El valor dH. de la zona de reacción hacia la masa que se calienta. son calorías/gramo * ° C. entonces el calor liberado fluye. el calor liberado es tomado por el agua contenida dentro de un hervidor. potencial. a un valor de temperatura determinada. 3 su valor negativo cuando el sistema o proceso genera calor (reacción exotérmica).2. el valor de dH es positivo cuando el calor es absorbido (reacción endotérmica). presión. 6. la que se define como la parte de la Termodinámica que estudia los cambios de calor en las reacciones químicas. entre un material combustible con el oxígeno del aire. Industrias Forestales.1868 joules = 4. entonces se suelo adoptar un valor promedio de la capacidad calórica (C medio) : ⌠ ⌡ Ti C dT Tf C medio = ––––––––––– Tf – Ti Ti: temperatura inicial. 6. En el sistema inglés las unidades son BTU/libra * ° F.la energía térmica.trabajo efectuado p : presión del sistema V : volumen del sistema El cambio de entalpía (dH) corresponde al calor de reacción a presión constante.2. la capacidad calórica molar es el calor requerido por una mol de sustancia para 1 ° C. Cuando el objetivo de la combustión es calentar masa o materia. en el agua. se expresa en varias unidades: dH25 = (kcal/kg) ó (cal/mol) ó (cal/g) 04/05/13 E.1868 N-m 1 BTU = 252 calorías 6. llevado a un valor de 25 ° C.1 Energía Según la definición de Hunt (1979) es todo aquello capaz de realizar trabajo. Química 6. Gonzales Mora .2.2 Combustión Corresponde a una reacción.2 ENERGIA Y TERMOQUIMICA 6.5 Capacidad calórica Si se relaciona el incremento de calor que se genera en función de la temperatura dq incremento de calor C = — ≈ ———————— dT incremento de temperatura se deduce el concepto de capacidad calórica como la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de una sustancia en 1 ° C. dE = calor del sistema . química. cinética.3 Termoquímica Para poder entender mejor lo que sucede en los procesos térmicos. pudiendóse producir un cambio de fase en la materia. Prod. El mismo autor define a: . catalizada por la temperatura. Un ejemplo común en este caso es cuando se quema gas propano. petróleo (iii) gaseosos: hidrógeno. gas CO (de la gasificación de madera) La composición de un combustible hidrocarburo. provenientes del bosque.2. turba (ii ) líquidos: gasolina (octano). de ramas o de residuos agrícolas. esta útlima cooresponde a los combustibles de madera. 2001) La clasificación de la FAO incluye subdivisiones en cada caso. Gonzales Mora 04/05/13 . que incluye rama. hojarasca. según su estado en uso final: sólidos. alcohol etílico. ramas de podas. B.1 Biocombustibles El término de biocombustibles se aplica para todos aquellos que provienen de seres vivos (animal o vegetal). leña. Ver figura 6.8. gasolina. En base al modelo de Perry.Dpto. Ejm. sólidos: madera. Dentro de este grupo se identifica a la madera como el más importante. ramas. propano. a un temperatura determinada. corteza. FIGURA 6.2: Clasificación de biocombustibles (FAO. propano.2 E. de biocombustibles. aquel que ha pasado por una etapa de elaboración o separación para poder actuar como combustible. Forestales Transf. Ejm. Dentro de esta clasificación se distinguen: * de origen mineral: carbón. carbón vegetal. carbono e hidrógeno. Química Valores de calores de combustión de diversas sustancias se muestran a continuación: 4 CLASIFICACIÓN BIOCOMBUSTIBLES (FAO-2001) BIOCOMBUSTIBLES COMBUSTIBLES DE MADERA (Forestal) AGROCOMBUSTIBLES RESIDUOS URBANOS sustancia • monóxido carbono (CO) • etanol (C2H5OH) • carbono (C) • benceno (C6H6) • octano (C8H18) • propano (C3H8) • metano (CH4) • hidrógeno (H2) dH25 (kcal/kg) 2415 7102 7831 9999 11447 12034 13265 33888 S L G S L G S L G S: sólido L: líquido G: gaseoso 6. carbón mineral. el calor que libera un combustible es su calor de combustión. turba. líquidos: alquitrán de licor piroleñoso de madera.UNALM. según la ecuación estequiométrica de combustión (PERRY-1992). bosta B. -procesados. que considera además.2. etanol de caña de azúcar. definen la cantidad de oxígeno necesario.8 Combustible Es toda aquella sustancia capaz de liberar energía en una reacción con oxígeno. líquidos o gaseosos. Asimismo. etileno Tambien existe una clasificación de los combustibles por su origen: -naturales. gas * de origen orgánico: provenientes de vegetales o animales. aceites. aquel que se utiliza en forma bruta. Los combustibles se clasifican en: (i) sólidos: leña (madera y arbustos). B. bagazo. bagazo. la FAO (2001) propone una clasificación de los biocombustibles. se establece la ecuación para combustibles hidrocarburos. no oxigenados y oxigenados. Industrias Forestales. a los combustibles provenientes de los residuos agrícolas (agrocombustibles) y a los residuos urbanos. 6. Prod. sin ser procesado antes de generar calor. A este grupo también se le denomina biocombustibles. tallos de cereales. gaseosos: gas metano (proveniente de excremento animal). o latifoliadas. maderas de latifoliadas • maderas de coníferas • Turba • carbón bituminoso • carbón vegetal • coque inferior • corteza • bagazo seco • basura orgánica • papel • trapos • PCS (kcal/kg) 3500 . tiene la misma forma de expresión del calor de combustión (kcal/kg) y en c. Algunos valores de PCS se mencionan a continuación para diferentes combustibles: COMBUSTIBLES: leña. Y = 3. entonces. 6. 5 pero no incluye el calor latente del agua liberada. Los valores de S y N en madera son despreciables ( ≈ 0 ). este valor incluye el calor latente del agua en los productos de combustión. Novlin y Heidenstamm.9 H + 16.22 * w (kcal/kg) w: kg agua formada/kg combustible C42H60O28 + 43 O2 → 42CO2 + 30 H2O Otra propuesta.7600 1500 . sólo se evalua la humedad del combustible.6 (%h). a volumen constante. Para los combustibles. h : humedad masa húmeda . PCI = PCS .masa seca %h = ––––––––––––––––––––– * 100 masa húmeda h = 0.4500 4700 . Las maderas de coníferas contienen un mayor porcentaje de lignina en su composición.2.63 (O + N) Los valores porcentuales de los componentes del combustible son: C: % carbono S: % azufre O: % oxígeno H: % hidrógeno A: % cenizas N: % nitrógeno De un análisis químico para madera. es mostrada a continuación: pero como en la mayoría de las reacciones de combustión. Forestales Transf.572.(Y) Se observa que. diferenciando a las maderas por su composición. se obtiene una mayor cantidad de calor que se libera en la reacción de combustión. la ecuación de combustión de hidrocarburos oxigenados se aplica para combustibles oxigenados. Al respecto. según la ecuación de Klason.UNALM. Prod. El calor que se libera es el poder calórico de la madera. 2001): PCIh = PCS (1-h) . Industrias Forestales.7500 6500 . gaseosos se 3 expresa en kcal/m . se propone la ecuación de combustión para la madera. se ha propuesto la siguiente fórmula de PCIh para un determinado valor de humedad (h) (FAO. En el caso de los combustibles sólidos y líquidos.2000 4000 . como es la madera y muchos otros combustibles de biomasa vegetal.6 °C (60 ° F) Poder calorífico inferior: (PCI) parte del mismo valor de PCS. para ecuación de combustión. por unidad de masa del combustible.9 Poder calórico es la cantidad de calor liberada por un combustible. Química Según lo expuesto anteriormente.6 A + 28.4 C + 315.5300 3000 .8400 6600 . por la mayor cantidad de carbono en madera de coníferas. lo que favorece la mayor cantidad de carbono en la madera.Dpto. a presión constante. se puede determinar los valores de PCS a partir del respectivo análisis de los componentes mayores (holocelulosa. Gonzales Mora 04/05/13 .01 * %h El poder calórico superior se obtiene por determinación en una bomba calorimétrica o sino tambien aplicando la ecuación teórica obtenida a partir de la propuesta por el Institute of Gas Technology: PCS (kcal/kg) = 81. hay dos formas de expresión del poder calòrico: Poder calórico superior: (PCS) corresponde al calor liberado en la combustión.3 S . en una combustión completa.4500 4700 4200 4250 E.4000 7500 . lignina) y cenizas. enfriados debajo de 15. sea coníferas. en países poco desarrollados (Asia. la mayor parte de la madera que se consume se destina a la generación de energía.6 % en Amércia Latina y el Caribelos denominados países en desarrollo (Africa. Se concluye que la madera es un combustible barato y accesible a la población. se determina que. etc. 2011) .094 FIGURA 6. calefacción. América Latina) donde es difícil el acceso a las fuentes de energía tradicionales. como fuente 04/05/13 E. China.13. 7.5 % se consumen en África. sin recursos energéticos y con ingresos precápitas bajos (menos de 250 $/hab * año) tienen valores altos de IPL. como importadores Italia. bosta.3: Índice de Producción de Leña en algunos países. Ucrania.800 0. todavía es común ver en los departamentos de Piura y Lambayeque. el caso de Brasil o Costa Rica se explica por su escasez de energía propia pero con abundancia en recursos forestales. plantas nucleares).3. en el mundo se 6 3 consumen más de 3275*10 m /año de madera rolliza. Química INDICADOR ECONÓ ECONÓMICO 6 ÍNDICE PRODUCCIÓN DE LEÑA:i. Medio Oriente.e.UNALM. 42 %. disponible como combustible doméstico. la leña u otro de biomasa vegetal. Una forma de evaluación de la demanda son los índices propuestos por el mismo autor.Dpto.000 0.761 0.3. Suecia y Grecia.000 Tanzania Colombia Camerún Brasil Botswana Costa Rica Indonesia Venezuela 0. En el Perú. etc. Se observa que el IPL esta en relación directa con la propia disponibilidad de combustible (p. de bajos recursos. 0.143 0. La necesidad de energía como leña es tan evidente que en países que no cuentan con recursos energéticos tradicionales (petróleo. de los más de 8 millones 3 m /año de madera que se produce. así como tambien residuos en aserraderos de eucalipto. La situación descrita en el párrafo anterior se manifiesta en el Perú en la población rural de las 3 regiones del país. producción madera 6. como 1 madera de uso industrial (Steiter.3. En Sierra. en Costa.200 0.000 IPL (m3/hab/año) 1. que utilizan principalmente residuos de las industrias forestales. 6. arbustos.947 0. el promedio en países desarrollados es 0. que obtiene del bosque seco. Industrias Forestales.78 en América Latina y el promedio mundial es 0. Rusia. Forestales Transf.410 0. y la diferencia.3 ENERGIA Y COMBUSTION DE LA MADERA 6. constituye el único recurso. Incluye la madera para la producción de carbón en fosas y hornos portátiles. Africa. En el comercio. Latinoamérica. Brasil. que la población rural se abastezca unicamente de leña. Varios países del centro de Africa. gas) o sistemas modernos para su generación (hidroeléctricas. Europa y Oceanía. sólo tienen como alternativa a la leña. producción de energía. Del total de madera para leña y carbón.1 Definición de leña Es la madera que se destina para ser quemada en cocinas.925 1. definitivamente la leña representa la única forma de generación de energía.600 0. la diferencia. tambien incluye leña de troncos y ramas. Austria. arbustos u otras plantas de la región andina. destacan como exportadores Latvia.6 % en Asia. petróleo o hidroeléctrica) y/o con el grado de pobreza del país.400 0. índice de producción de madera para leña y carbón por habitante (IPL) en diferentes países del mundo. Gonzales Mora .85 en el África. Finlandia. ver figura 6. En los países en desarrollo. a nivel mundial. Etiopía y el Congo.903 0. de las cuales algo más del 58 % se destina como leña o la producción de carbón vegetal. aunque es un caso contrario Venezuela. que es un gran productor de petróleo. con corteza y en el caso de comercialización. Prod. los pobladores del campo recurren al uso de pasto ("ichu"). para leña y carbón por habitante (IPL) en diferentes países del mundo 1.). Francia y Bosnia-Herzegovina. A nivel de países productores destacan India.3 % se consume en los países de Norteamérica. 0.200 1. tambien se considera al aserrín ( FAO-1967). etc. 41. si bien hay mayor desarrollo que las otras regiones. En Selva . 18.34 en Asia.37. El promedio de IPL por región es de 0. la situación no dista de ser diferente entre la población del campo y la ciudad. el 32.2 Producción de Leña en el Mundo Según las estadísticas forestales. más del 87 % es producida y consumida por la población rural como leña o para la producción de carbón vegetal. al alcance de la población. sobretodo cuando se abastece a plantas que procesan tableros de partículas y pulpa. vendría a ser la compensación económica de los bajos ingresos del poblador rural. Pero la cantidad de calor que se desprende depende del método o del producto que se obtiene en cada forma de descomposición. Industrias Forestales. se hace indispensable elaborar una estrategia de política energética que incluya la definición de las características técnicas del recurso (dimensiones. sin embargo la tecnología actual y la escasez de recursos forestales en algunas regiones obliga a una mayor eficiencia en el aprovechamiento. durmientes. es la gasificación. En forma numérica se puede demostrar esta teoría. sin embargo las maderas de menor densidad se pueden utilizar debibo a que tienen una mayor tasa de crecimiento. siempre hay preferencia por las especies nativas. ya que la misma puede provocar un agotamiento del recurso. . tereticornis. Un sistema de evaluación de energía es propuesto por la FAO (Wisdom) como estrategía para la planificación de proyectos energéticos con biomasa forestal. humedad.). principalmente en los países en desarrollo. eucalipto (Eucalyptus globulus). donde los gobiernos deben planificar el desarrollo e inversión de recursos para crear bosques y además capacitar a la población para la mantención del mismo.5 g/cm . árboles de fuste irregular. Costa y Sierra Central (menos de 1000 msnm) molle (Schinus molle). la generación de recurso forestal no siempre se hace con el fin de obtener madera para fines industriales. Dentro de las características a tener en cuenta para el aprovechamiento de especies forestales para leña.).hay preferencia por maderas duras.3. . sapote (Capparis scabrida). se mencionan las siguientes: . etc.3 Especies Forestales para Combustible Se entiende la importancia que tiene en muchos países en desarrollo. Dentro de las especies que más se utilizan en el Perú para leña se mencionan: Costa norte. colle (Buddleja sp. el uso de la leña como único combustible.se utilizan especies con un bajo valor de su madera en el mercado. (más de 3000 msnm) quinual (Polylepis sp. y también el pino (Pinus radiata.3. en el Mundo. Casuarina equisetifolia. la regulación del consumo de leña y su distribución acorde con un plan de manejo del recurso. siendo lo más destacado la madera de eucalipto en toda la Sierra. etc. Dada la importancia del consumo de leña en el Perú. Las rutas de producción de calor por cada método de descomposición térmica se indican a continuación: MATERIA PRIMA: MADERA combustión ⇒ calor carbonización ⇒ carbón ⇒ calor gasificación ⇒ oxidación ⇒ reducción ⇒ gas ⇒ calor 6. Muchos investigadores mencionan la importancia que se le debe dar al uso de la madera para leña.se debe utilizar de preferencia ramas o madera de raleo. Con la producción de leña no se obtendrá un ingreso monetario adecuado. en cambio la menos eficiente. 6. Sierra: más de 2000 msnm. edad. Los enlaces internos de la materia orgánica liberarn la energía química durante la combustión.Dpto. etc.). densidad 3 mayor a 0. E. tola (Baccharis tricuneata) Selva.). FAO (FLINTA-1960) recomienda las siguientes especies para leña: Eucalyptus camaldulensis. por tener menos etapas para producir calor. pero si se obtienen múltiples beneficios. que debidamente valorados. Muchas veces es difícil encontrar otro Se observa la ventaja que tiene la combustión. Tambien se utilizan especies introducidas. Bajo ciertas condiciones económicas. residuos de varias especies de industrias forestales (parquet. Prod. algarrobo (Prosopis pallida). aunque la corta final se debe justificar cuando la especie tiene un valor alto de CMA o facilidad en su regeneración. inherente a los enlaces de carbono con los demás elementos. Química energética. Gonzales Mora 04/05/13 . E. Forestales Transf. La producción de leña tiene una importancia económica y social. mediante la aplicación de un análisis simple de balance de energía o térmico en cada caso. Acacia mollisima. En cada región.) en el departamento de Cajamarca. Asimismo.4 Balance Energético en la Combustión El objetivo de mayor importancia en la descomposición térmica es la producción de calor partir de la madera. aserraderos. como es el caso de la mayor parte de las plantaciones bajo planes de manejo. patula. por el # de etapas. debido al mayor rendimiento calórico por unidad de volumen. pero se debe tener en cuenta la intensidad de uso. en especial en bosques secos debido a la baja tasa de crecimiento volumétrico (CMA en 3 m /ha * año). P. a pesar de que en la mayoría de los casos son especies de crecimiento lento. 7 uso a la madera que normalmente se destina como leña.UNALM. 2 = 120 kg carbón = Cs .Corresponde a una evaluación del flujo de energía de ingresa o sale de un sistema o proceso. En la combustión de madera. Balance de Masa. si es que se desea obtener el calor a partir del carbón. El PCS m es 4000 kcal/kg. hay una gran pérdida de energía por obtener la misma a partir de carbón Qm . Industrias Forestales.h)] .6 t = 600 kg .6 * %h = [4000 * (1 . entonces se supone que toda la madera se convierte en CO2 y agua C42H60028 + 43 O2 ⇒ X CO2 + Y H2O En caso de efectuar balance de materia. En el caso de balance de energía. El PCS del carbón es 7500 kcal/kg y su humedad 2 % (h = 0. Prod. siendo Q < 0 ó entalpía negativa.0.02 $/kg y en carbón entre 0.6 g/cm . en madera menos de 0. El análisis busca evaluar la eficiencia térmica de la combustión.. conforme al concepto de rendimiento: 20 kg carbón seco 20 % rendimiento = ––––––––––––––– 100 kg madera seca 600 kg Ms * 0. mediante la cantidad de calor que se libera.02)] .6 t/m = 0.el carbón es ácido.Materia seca Ms = Volumen * Densidad básica 3 3 . entonces el balance corresponde al de un proceso. 8 Con la misma información de la madera. contiene 30 % de humedad (h=0.es muy frágil.h)] . en un regimen intermitente y abierto. .2 $/kg.( 6 * 30) = 2800 .Luego el total de calor por combustión completa (Qm) a partir de una tonelada de madera es Qm = 600 kg * 2620 kcal/kg = 1 572 000 E.3).6 * %h = [7500 * (1 -0.Es una evaluación de la materia que ingresa. . Química kcal.02). El balance de masa se clasifica según si el sistema se efectúa en forma intermitente o en regimen contínuo. ahora estime la cantidad de calor que se genera por combustión completa del carbón que se obtiene mediante un sistema de carbonización cuyo rendimiento carbón/madera es de 20 % .Qc = 1 572 000 . Forestales Transf. existen dos formas de considerar el balance: en sistema abierto o en sistema cerrado. PCIm = [PCSm * (1 .ahora se determina el poder calórico inferior del carbón (PCIc) PCIc = [PCSc * (1 . Q = 0 .Se estima la cantidad de carbón obtenido a partir de la madera seca.Luego se calcula el total de calor liberado de todo 3 el carbón obtenido a partir de 1 m de madera Qc = 120 kg * 7338 kcal/kg = 880 560 kcal Tal como se habia previsto. El primer caso implica una transferencia de energía a medida que esta se genera durante el desarrollo del proceso.UNALM. como fuego directo Sin embargo no hay una demanda grande del carbón vegetal en combustión por las siguientes razones: . la evaluación del sistema se hace con balances de masa con reacción química (intermitente o contínuo) y los balances de energía en sistema abierto.mayor costo productivo. calórico superior (PCS) El uso del carbón vegetal presenta ventajas frente al uso de madera en combustión: -menor peso por unidad de volumen -combustión sin humos -mayor eficiencia en la transferencia -sirve para uso en cocina. lo que le genera un carácter corrosivo en el medio de uso . .180 = 2620 kcal/kg . En el caso del sistema cerrado. Balance de Energía.Dpto.Si la combustión es completa. si durante el balance del sistema ocurren reacciones químicas. Ms = 1 m * 0. quebrándose con facilidad en la manipulación. . se acumula o sale de un sistema o proceso.1 a 0.menor rendimiento global en la combustión (Qm > Qc) .6*2 = 7350-12 kcal/kg = 7338 Problema se evalua un sistema de combustión de un 3 m de madera con una densidad básica de 3 0.3)] .Se estima el poder calórico inferior (PCIm) a partir del p.880 560 = 691 440 kcal que equivale a una disminución energética de 44 % . Suponiendo que la combustión es completa. además se debería evaluar los gases que se eliminan durante la combustión. Gonzales Mora 04/05/13 .. entre Ucayali y Cuzco). pero con posibilidades limitadas de instalación en el Perú. En el Perú. local. Por estas razones. Además.Dpto. En los gasificadores se obtiene CO como principal componente del gas combustible. según lo antes mencionado. el caso es extramadamente ineficiente en la generación de calor debido a las etapas sucesivas que hay entre madera y el gas combustible. del petróleo. Gonzales Mora 04/05/13 . sin embargo como producto de su combustión se obtiene sólo agua. y donde la presencia de una abundante la biomasa forestal es una buena alternativa de uso. de existir la adecuada infraestructura vial de transporte. pero tiene un bajo poder calórico (2400 kcal/kg). la facilidad geográfica para la instalación de hidroeléctricas de pequeña y mediana capacidad y la adecuada infraestructura vial nacional son contrarias al uso de sistemas de gasificación de biomasa forestal. Las experiencias han demostrado que la gasificación es un sistema de producción de energía factible sólo en lugares donde hay extrema escasez. en la coyuntura actual y futura. Prod. aqui se esta haciendo referencia a lugares muy aislados dentro de un país. necesaria para el desarrollo integral de un país. 9 E. la gasificación de la madera es una alternativa potencial de generación de energía. que en el sistema de los motores de combustión interna podría resultar perjudicial. en el mercado de combustibles. es importante ya que se utiliza como materia prima para nuevos productos químicos. La obtención simultánea del CO con el hidrógeno 8gas de síntesis). por sus ventajas técnicas y económicas. lo que no debería ocurrir. Industrias Forestales. Química En la gasificación de la madera. Forestales Transf. de combustibles. en la región sur oriental (zona de Camisea. En el caso de la obtención de hidrógeno. otro factor influyente favorable para gasógenos es el hecho de no haber acceso a vias de comunicación para el transporte de combustibles tradicionales. la ventaja es la de ser un gas de alto poder calórico (33000 kcal/kg). Además. influye el hecho de contar con una gran reserva de gas natural. Lógicamente.UNALM. además del hidrógeno. El CO se le utiliza como un gas limpio para motores de combustión interna. y ahora gas natural. el dominio. 1995) .64 Algunas especies vegetales del período carbonífero se mencionan a continuación: E.UNALM. Industrias Forestales. de aproximadamente unos 20000 años. tambien llamado hulla. con el fin de eliminar las sustancias volátiles. hace 135 millones de años) y de latifoliadas (período terciario. en la formación de lignito y turba. Química 10 VII CARBONIZACIÓN DE LA MADERA 7.C. Betula Liquidambar. algas (invertebrados) vegetales marinos plantas terrestres algas complejas Bosques de licopódios primeras coníferas Cycas. al hacer referencia al carbón mineral (carbón de piedra) se sabe que este producto tiene un origen vegetal. son las actuales materias primas empleadas para la producción del carbón vegetal. Taxus y Sequoia Pinus. Gonzales Mora . En el cuadro 7. es a causa de estos fenómenos que el período debe el nombre carbonífero 2 (Carusso. hace 63 millones de años). aparentemente.1: Eras y Períodos de la Tierra: Formación de seres vivos (Carusso et al 1995) 6 (-) x10 ERA PERÍODO Génesis años Precambrieno Cambrieno Especie Pecopteris Paripteris Mariopteris Medullosa Lepidendron Cordaites Glossopteris Alethopteris Familia altura (m) Maraltiaceae 4 Medullosaceae 5 ? 5 Medullosaceae 5 Lepidendroceae 10 Cordaitaceae 10 Glossopteridaceae 8 Medullosaceae 5 Como consecuencia de los movimientos de tierra y los cambios climáticos desde entonces. angiospermas. se compactaron en el suelo como espesas capas minerales ricas en carbono que son hoy en dia las vetas del carbón mineral. proveniente de los licopodios o helechos arborescentes que crecieron en la Tierra ya hace mas de 300 millones de años durante el período carbonífero.2 a 1. las especies vegetales son diferentes de aquellas que dieron lugar a la antracita y la hulla.Dpto. Las especies forestales. el clima muy húmedo que predominaba sobre el hemisferio norte y el Ecuador. sin embargo. El lector podrá relacionar que. coníferas y latifoliadas. Forestales Transf. La explotación industrial de la hulla se inició a principios del siglo XIX en Europa. poder calórico de 10 a 20 MJ/kg . griegos y romanos. favoreció la formación de inmensas áreas vegetales. dió lugar a un proceso de transformación hacia los actuales yacimientos carboníferos que existen en diversas partes del planeta. Darby obtuvó el coque como producto del calentamiento anaeróbico de la hulla. estas coberturas boscosas se degradaron. Durante este período. toda esta materia orgánica quedo cubierta y sometida a la presión de enormes capas de lodo. agua y arena.1 se muestra los años transcurridos en la aparición de los vegetales sobre la Tierra.1 Antecedentes Esta forma de transformación de la madera tiene antecedentes relacionados con la obtención de un producto energético: el carbón vegetal fue ya conocido por los egipcios. Paleozoico Ordovicieno Silurieno Devonieno Carbonífero Permieno Trias Jurásico protozoarios. densidad de 1. era paleozóica. La actividad de carbonización o conversión de la madera en carbón. Se estima que el período carbonífero ocurrió entre los 363 a 290 millones de años A. Magnolia Quercus. Ginkgos Equisetum. Prod.8 g/cm3 y poder calórico entre 23 y 3 35 MJ/kg lignito: es un carbón de formación geológica reciente y presenta un bajo porcentaje de carbono fijo (60 % a 70 4 %). asi formado se le encuentra a profundidades mayores a los 200 m. con un promedio de 56 % en carbono fijo. CUADRO 7. A. invadidos por las aguas marinas. surge probablemente de la necesidad de disponer de un recurso 04/05/13 Cenozoico Cuaternario 65 1. turba: es un carbón no acabado. que en ausencia de oxígeno. flores. Este carbón. ya en el año 1709. Mas aún. este carbón obtenido a partir del tallo de las especies mencionadas es tambien denominado carbón de palo. A continuación se mencionan denominaciones referentes al carbón: otras antracita: es un carbón fosil de mucha antiguedad en su formación y que presenta hasta 95% de carbono fijo. Homo sapiens 4600 570 510 439 409 363 290 245 208 146 Mesozoico Cretáceo Terciario Con la evolución de las especies vegetales se forman los bosques actuales de coníferas (período cretáceo. la etapa es endotérmica. productos de fase líquida: la recuperación de la fracción de gases condensables forma el licor piroleñoso. las etapas posteriores son para la degradación térmica anaeróbica de los componentes mayores de la madera: de la holocelulosa y de la lignina. a las condiciones ambientales del entorno de la carbonización. sin embargo. además de eliminarse extractivos volátiles de punto de ebullición menor al de esta etapa. su condensación da lugar a la fase líquida. dentro del sistema puede ser de 280°C. 7. Una primera etapa debe permitir en la madera la eliminación del agua. fracción de gases condensables. En un método comercial de carbonización estos gases se liberan al exterior. Los componentes celulosa y lignina se degradan con mayor facilidad. Los rendimientos de carbonización son variables: en retortas de laboratorio se obtienen valores de 25 a 30%. parte de la madera. se requieren al menos de otras cuatro etapas sucesivas definidas por la temperatura en la madera (ver figura 7. Química 11 energético accesible. Las condiciones controladas de la carbonización implica un control de las entradas de aire en la zona de descomposición térmica. Además el carbón vegetal. mayormente lignina. se inicia la descomposición térmica de la madera en ausencia de oxígeno a partir de los 200°C. formada por hidrocarburos pesados). tambien denominado ácido piroleñoso por el pH bajo de esta fracción. Forestales Transf. Asimismo. C2H6). Esta elevación de temperatura permite que se sucedan los cambios físicos y químicos necesarios para el procesamiento de la madera. de 20 a 25% y en métodos artesanales de 10 a 20%. Además de la etapa de secado. por análisis termogravimétrico (TG). Los productos de carbonización comprendidos por 3 partes: estan 7. El proceso de producción de carbón se denomina carbonización. en ausencia de oxígeno. de fácil manipulación y combustión. con una temperatura de la madera alrededor de 100°C. La madera se seca en esta etapa. se elimina agua fuertemente retenida y extractivos volátiles de la madera. Al comparar entre las fracciones de carbohidratos. representando la descomposición térmica de la 04/05/13 E. Por la descomposición térmica se degradan los carbohidratos de bajo peso molecular. Etapa II: La temperatura en la madera sube de 100 a 275°C. Prod. productos de fase gaseosa: durante la carbonización se forman gases.3 Etapas de la Carbonización En cualquier método de carbonización. de los extractivos volátiles y en seguida.2 se observa un esquema. En esta fase se encuentran dos fracciones: fracción de gases no condensables (GNC). estos últimos formando parte del licor piroleñoso. En esta etapa. Etapa III: En esta etapa la temperatura se eleva de los 275°C hasta los 350°C. hasta alcanzar la temperatura final. En la figura 7. CH4. (masa oscura y de apariencia vidriosa.1): Etapa I: etapa de secado. a las condiciones ambientales. conformada por gases no combustibles (CO2) y combustibles (CO. Durante esta etapa. al momento de la carga. La etapa es endotérmica. tambien se considera en esta fase a la carbonilla o cisco que es el carbón menudo (tamaño menor a 1 cm) y la brea sólidificada (tar). productos de la fase sólida: comercialmente el más importante es el carbón vegetal. presenta una menor cantidad de sustancias volátiles y de azufre. aunque esta puede iniciarse ya a partir de los 150°C. Industrias Forestales. Estos productos se obtienen cuando se incorpora un sistema de condensación de los gases que salen de la carbonización. La temperatura externa a la madera. Este control depende del método de carbonización empleado y/o forma de calentamiento aplicada. La descomposición térmica es mucho más rápida como resultado de las reacciones exotérmicas que se generan al interior de la madera. dando lugar a la formación de ácido acético y agua de reacción. entre 100 a 150°C. comparado con la hulla. en métodos de carbonización comercial con hornos. la temperatura interna de la madera debe pasar de la temperatura ambiente.Dpto. Tambien se forma cierta cantidad de gases no condensables: CO y CO2. La temperatura externa en el sistema alcanza los 300°C. producto de las reacciones pirolíticas en la madera. principalmente las hemicelulosas. El proceso de carbonización que incluye un sistema de recuperación de gases condensables se denomina destilación seca de la madera. Gonzales Mora .2 Definición del Carbón Vegetal y Carbonización El carbón vegetal es el residuo sólido que queda luego de someter la madera a la acción del calor. bajo condiciones controladas de tiempo y temperatura.UNALM. la velocidad de descomposición de las hemicelulosas es 12 veces más rápido que la celulosa. se transforma en brea primaria. propuesta por Klason. durante las 5 etapas del proceso de carbonización. La fuente externa de energía proviene sea de una resistencia eléctrica o de la quema de un combustible (hulla. sin embargo la temperatura externa. Etapa IV: El carbón formado de la etapa anterior se consolida en una cuarta etapa. Química celulosa y de la lignina. Para que combustione el material vegetal o parte de la madera es necesario la entrada de aire al inicio de la combustión hasta que se inicie las reacciones exotérmicas de la carbonización. El desarrollo de esta etapa garantiza la eliminación de la mayor parte de alquitranes pesados. 7. la brea primaria de la etapa anterior se transforma en una brea secundaria o coquificada: este es el carbón vegetal. coque. la temperatura externa es de alrededor 500/550° C. En la figura se observa las curvas de variación de la temperatura. continúa la formación de alquitranes pesados los que son evacuados hasta que alcanzen su punto de ebullición. se quema (combustión). la entrada de aire por esta abertura es impedida por la mayor presión de los gases de salida. El recipiente utilizado. completándose el proceso de carbonización. dentro del sistema.En este caso. La energía liberada producto de las reacciones exotérmicas que ocurren al inicio de esta etapa permite que la temperatura interna de la materia carbonizada alcanze un valor de 350° C. FIGURA 7. C2H6 y C2H4. Prod. leña. El calentamiento externo permite la obtención rápida de un carbón vegetal de muy buena calidad.2: Curvas TG y DTG de la Celulosa y de la Lignina En la curva TG se observa la rápida descomposición de la celulosa. de buena calidad. Industrias Forestales. es de alrededor 400° C. o retorta. En el caso de la lignina. FIGURA 7. etc... Gonzales Mora . si bien hay un aumento en la tasa de descomposición en esta etapa (curva DTG de la lignina). Esta etapa no se aplica en los métodos tradicionales de carbón en razón de que encarece el producto final y disminuye el rendimiento de la carbonización. no es utilizado comercialmente. La destilación de los alquitranes pesados es mínima. endotérmica. Calentamiento externo. lo que se comprueba con la curva diferencial DTG respectiva. 800 700 600 500 400 300 200 100 0 I I II II III III IV IV V T -madera T -exterior 12 necesaria para esta etapa proviene de calor externo. de esta manera se obtiene un carbón vegetal. interna y externa. Este permite la obtención de energía necesaria para elevar la temperatura en el sistema. Tambien continúa la formación de los gases no condensables: CO.Dpto.). sin embargo. La temperatura interna en esta etapa va desde los 350° C hasta 450° -500° C. La energía 7. toda la energía necesaria para alcanzar la temperatura de carbonización proviene de una fuente externa. parte de la madera u otra materia vegetal seca.Para alcanzar la temperatura de carbonización. Para alcanzar temperaturas de carbonización en la retorta se requiere de 5-15 unidades de masa por cada unidad de madera a carbonizar en la retorta. Asimismo. alcohol metílico y alquitrán.1: Variación de la temperatura durante la carbonización 50 40 Re ducción de m a sa % 30 20 10 0 -10 -20 Temperatura °C -30 0 100 200 300 350 370 380 400 500 550 600 700 TG-celulosa DTG-celulosa TG-lignina DTG-lignina Etapa V: Es una etapa opcional.5 Ecuación de la Carbonización El proceso de carbonización se puede resumir en la siguiente ecuación genenral de reacción durante la carbonización.UNALM. En esta 3ra etapa se forma con mayor intensidad el licor piroleñoso que contiene principalmente ácido acético. Novlin y Heidenstamm (1958): 04/05/13 E. La mayor parte de la lignina pasa a formar parte de la masa del carbón vegetal. existen dos formas de generar el calor y alcanzar la temperatura mínima del proceso: Calentamiento interno. en la figura se incluye las respectivas curvas diferenciales (DTG). CO2. con valores entre 90 a 95% de carbono fijo.4 Formas de Calentamiento Para que se lleve a cabo la carbonización. Es necesario que la madera a carbonizar se introduzca dentro de un recipiente que permita la conducción del calor. con una temperatura interna que va desde los 500° a 700° C. debe presentar una abertura que permita la salida de los gases de la carbonización. CH4. esta es mínima en comparación a la celulosa. sin embargo el carbón vegetal obtenido al final de esta etapa contiene hasta 85% de carbono fijo. Asimismo. Forestales Transf. a 275°C.. alquitrán y algo de carbón.6 - Madera seca al aire 40 4.7% con un contenido de carbono fijo de 82%.UNALM. CUADRO 7. De la lignina. Industrias Forestales. Una lista de productos químicos provenientes de los componentes luego de la carbonización se presenta en el cuadro 7. En el caso del ácido acético. En el caso del alquitrán. la mayor cantidad de fracción de breas y alquitranes proviene de la holocelulosa. seobtiene productos similares a los obtenidos de los carbohidratos además de metanol. ácido acético y acetona. formaldehido. metano. por separado. de su humedad. CUADRO 7.2. Forestales Transf.3. De las hemicelulosas se obtiene los mismos productos de destilación de la celulosa y furfural. este producto se compone de hidrocarburos pesados y también de compuestos fenólicos que le dan el color oscuro característico del alquitrán de madera. de la especie.6 Influencia de la Holocelulosa y de la Lignina sobre los Productos de Carbonización Los productos de la carbonización estan influenciados obviamente por los componentes químicos mayores de la madera: celulosa. Acético Ac. sin embargo. CO2. 7. etileno. hemicelulosas y lignina.La madera a carbonizar debe estar preferentemente seca al aire.3 Componentes de las Fracciones Líquida y Gaseosa de la Pirolisis de Holocelulosa y de Lignina COMPOSICIÓN Holocelulosa* Lignina Fracción Liquida Acetaldehido Furano Metanol Metanol Butanodiona Propanona Propanona Ac.1 0. gases. Un contenido de humedad elevado en la 04/05/13 Carbón Alquitrán Líquido Gas 5 66 23 6 10 64 18* 8 55 15 20 10* fuente: Shafizadeh-Chin (1977) * valores estimados por diferencia de 100 E.7 Influencia de las Características de la Madera durante la Carbonización En principio. C2H6 CH4. el carbón vegetal resulta de la coquificación de la brea secundaria: esta brea proviene principalmente de la lignina. Los tiempos de carbonización por lo general dependen del tamano de la madera. la calidad y el rendimiento de carbón dependerá del tipo de madera utilizada y sus características. Un análisis elemental de la madera dió el siguiente resultado: Elemento C H O N Cenizas H2O (*) O + N Madera seca 49 6 44 0.8 34.2 * 1 20 De los valores del cuadro se deduce que se obtiene una mayor cantidad de fracción carbónacea a partir de la lignina que de la holocelulosa. Prod. Gonzales Mora . hay una influencia de los grupos acetilos en las hemicelulosas. En la tabla se observa valores aproximados de las fracciones que se forman durante la carbonización. cualquier madera puede ser utilizada para la fabricación de carbón. de las condiciones atmosféricas además de la carbonera o método empleado. parte de los carbohidratos tambien se transforma en brea. El metano en la fracción gaseosa proviene de los grupos metoxilos de la lignina. De la celulosa. Esta información demuestra que existe una relación directa entre el contenido de lignina de la madera con el rendimiento de la carbonización. ver cuadro 7. C2H6 La carbonización de maderas latifoliadas rinde doble de metanol que las maderas de coníferas: esto se explica por la presencia de mayor cantidad de grupos metoxilos en la lignina de las maderas de latifoliadas.2 Fracciones de la Carbonización de Holocelulosa y de Lignina FRACCION Celulosa Hemicelulosas Lignina 7.Dpto. CO. de la holocelulosa y de la lignina. sin embargo. Como ya se ha explicado anteriormente. se obtiene agua. por relación de masas moleculares. Influencia de la humedad. CO CH4. Sin embargo. Química 13 2 C42H60O28 —→ 3 C16H10O2 + C23H22O4 + madera carbón alquitrán y breas 28 H2O + CH3OH + 2 CH3COOH + 5 CO2 + 3 CO ácido piroleñoso gases no condensables De la ecuación se deduce. el rendimiento teórico de conversión de madera a carbón vegetal es 34. ácido fórmico. acético Furaldehido Agua Agua Fracción Gaseosa CO2 CO2 . UNALM. junto con la madera. tal como se comprobó con los análisis respectivos. Las tensiones generadas contribuyen a la contracción violenta. Química 14 era madera retarda el tiempo de carbonización y consume energía del sistema. La presencia de corteza. Los rendimientos de carbonización obtenidos en laboratorio son altos (mayores a 35 %). este defecto depende tambien de la velocidad de calentamiento que a su vez se relaciona con el método de carbonización ra utilizado. formación de fisuras y el consiguiente resquebrajamiento de la estructura cada vez debilitada de la madera a medida que va aumentando la temperatura interna. la distribución de los elementos se mantiene en forma simétrica. el rendimiento en carbón disminuye pero aumenta el del licor piroleñoso. sobretodo en carbón de maderas latifoliadas. Industrias Forestales. y se degradan rápidamente en las primeras etapas de la carbonización. sobre el punto de saturación de las fibras. Particularmente en el caso de maderas con alto contenido de taninos. con una madera muy húmeda.Para la carbonización hay siempre preferencia por la maderas duras en razón que estas dan un carbón compacto y durable cuando se usa para energía.5. Esta cualidad se utiliza para identificar la especie utilizada en la obtención del carbón (Pipa. La presencia de los extractivos en la madera tambien influye en el rendimiento de carbonización: muchos de los extractivos volatilizan antes de alcanzar la temperatura de la 3 etapa de la carbonización (275°-280°C). aunque proporcional a la reducción de volumen luego de la carbonización. Las células de parénquima son débiles. sin embargo. Forestales Transf. Gonzales Mora . Gonzales. Además. Durante la 1 etapa del proceso. en muchos casos cercanos al 40%. Influencia de las Características de la Especie. 5 Chavesta.8 Preparación de la Madera para Carbonización La madera para carbonización debe ser en principio de bajo costo. asimismo se puede utilizar sistemas portátiles de carbonización afin de reducir los costos de transporte por peso. Asimismo. salvo que se le utilize como material energético para elevar la temperatura en las primeras etapas con calentamiento interno. Los productores de carbón de la zona suelen preferir la madera del algarrobo para elaborar carbón debido a la buena calidad del mismo: existe una preferencia de los consumidores por este tipo de producto. Un primer criterio que influye es la extracción de especies forestales sin valor comercial. la elevada humedad de la madera contribuye a la formación de rajaduras y fraccionamiento del carbón. su presencia es perjudicial cuando se utilizan hornos de metal para la carbonización: hay una reacción entre los componentes químicos de los taninos y el hierro utilizado en la construcción del horno. frágil y alta tendencia a la formación 3 de partículas pequeñas de menos de 1 cm de dimensión promedio (carbonilla). la misma distribución de poros y otras características perceptibles en la superficie. Un caso particular es la madera de algarrobo (Prosopis pallida) que crece en la costa Norte del Perú. tambien influye en un rendimiento bajo de un carbón frágil y quebradizo además de aumentar el porcentaje de cenizas. en muchas especies de maderas duras el porcentaje de lignina es relativamente alto lo que influye en el rendimiento de carbonización. Al volatilizar los extractivos. 2007). La madera del algarrobo es una especie bajo control debido a su tala indiscriminada destruyendo rapidamente el ecosistema de desarrollo de los algarrobales. Prod. el carbón producido debe competir con ventajas frente a los sustitutos: esto dependerá principalmente del precio de la madera. La corteza debe ser evitada como materia prima de carbonización.Dpto. es decir especies no utilizadas por otras industrias forestales. Para reducir la humedad de la madera antes de carbonizar se utiliza los gases calientes de los hornos de carbonización. estos resultados estan influenciados por el alto contenido de lignina en su madera. comparadas con las fibras xilemáticas. Es asi que se observa. a pesar que los componentes químicos de la madera se transforman y obviamente la de los elementos anatómicos. por el secado rápido se generan tensiones internas en la madera cuya magnitud esta en función de la tasa de eliminación del vapor. Según los precios de madera en el mercado local. La utilización de residuos de industrias forestales 04/05/13 E. La estructura anatómica de la madera tambien influye en el rendimiento de carbón: maderas con alto contenido de parénquima y tejido medular dan un bajo rendmiento de un carbón frágil y poco denso. Una característica que tiene el carbón vegetal es que. los costos de extracción y transporte afectarian los costos. La utilización de madera muy húmeda en la carbonización produce un carbón con muchas fisuras. Una ventaja de la extracción primaria de la madera es el aprovechamiento de ramas y árboles torcidos. 7. Las especies preferidas para elaborar carbón vegetal son aquellas con valores de densidad básica mayor a 0.. de 1. Prod. sobre el suelo. Largo 3-20 m. aserrín MADERA FIGURA 7. variable de 30 a 90 días.5 m y un valor máximo 1 m de longitud. se arma una pila de madera. la madera debe ser descortezada y reducida a un tamaño promedio de 0.0 a 1. En la figura 7. Posteriormente. La preparación de la madera se inicia por la selección de la especie: maderas duras dan un carbón compacto y de mejor calidad que maderas suaves. lo que provoca combustión en zonas de entrada de aire y carbonización incompleta en el interior de la fosa.9 MÉTODOS DE CARBONIZACIÓN Todos los métodos de producción comercial de carbón utilizan la forma de calentamiento interno. Industrias Forestales. Altos valores de cenizas en el carbón que se incorporan durante la descarga. En la fosa siempre hay dificultad de evacuación de los gases de carbonización. hay mucha variación de calidad en una misma carga de carbón obtenida. entre 10 a 23%. la circulación del aire es dificultosa.1 Método de Fosas Corresponde a excavaciones. Mala calidad del carbón: el contenido de carbono fijo es menor al 75 % . La madera preparada es colocada debidamente dentro de la fosa. El material volátil en el carbón es alto.UNALM. cubriéndose luego con hojas o ramas secas y sobre esta capa. de 1 a 3 m de ancho y de 3 hasta 20 m de longitud. de ser necesario.8 m de profundidad . corteza. La reabsorción de los gases aumenta la acidez en el carbón: esto afecta a las bolsas utilizadas para el embalaje del carbón. Se distinguen 3 métodos de carbonización: fosas: sistema bajo el nivel del suelo parvas: sistema sobre el nivel del suelo hornos: con dos variantes: hornos metálicos hornos de ladrillos 7.3 : Diagrama de producción de carbón vegetal en fosa 7. el uso de este método es limitado a zonas con suelos secos y napa freática profunda. corteza.Dpto. 15-25%. ancho 2-3 m profundidad 1 . Esto permite un ahorro de energía durante la carbonización. La capacidad neta de este método varia de 3 a 60 m3 st. Eventualmente requiere de mucha mano de obra para la contrucción de fosas de gran capacidad las desventajas mencionadas para el carbón de fosas limita su uso como producto energético (cocinas) y para la elaboración de briquetas. dejando vias para la circulación de gases. Alto porcentaje de carbonilla por la dificultad en la manipulación del carbón durante la descarga. MÉTODO FOSA tierra Entrada de aire hojarasca. Forestales Transf. Valores bajos de rendimiento carbonización. La madera es cubierta con material vegetal seco como hojas secas. Las fosas son sistemas de carbonización de bajo costo: no existe un costo fijo de inversión en equipos. bajo el nivel del suelo. etc. Este método se utiliza en lugares donde el suelo es compacto y donde el drenaje es malo o la napa freática esta E. Ciclo: 20-90 días % Carbono fijo < 75 %. Química 15 es una buena alternativa de madera de bajo costo para carbón.2 m Capacidad: 2-50 m3 st. Gonzales Mora 04/05/13 . el carbón obtenido con este método presenta desventajas: los ciclos de carbonización son largos. salvo los destinados a la compra de herramientas manuales de preparación de madera y de preparación de la fosa (palas y picos). según la capacidad de la fosa.se observa un esquema gráfico de la produccoón de carbón en fosa.3. tierra. ramas. En el caso de utilizar madera rolliza. Rendimiento 10-23 %.9. los costos variables incluye la mano de obra.9. neto de 7. trozas de dimensiones mayores deber ser partidas longitudinalmente en 2-3 secciones. A pesar de la economía de elaboración de las fosas. Sobre esta capa se cubre con tierra de textura franco arenosa. como consecuencia de la reabsorción de gases condensables al interior de la estructura del carbón. El tamaño de la madera tambien es influyente: la utilización de residuos facilita la preparación de la madera. El diámetro máximo recomendable es 30 cm. En fosas grandes. la madera. debe ser estacionada para reducir el contenido de agua: valores de humedad menores a 20 % (bmh) son recomendables antes de iniciar la carbonización.2 Método de Parvas En este caso. Los rendimientos netos de carbonización en parva son variables. altura 1. Ancho 2-3 m Capacidad: 3-30 m3 st. FAO. el carbón vegetal de hornos es de mejor calidad. Una parva de forma circular puede tener de 2 a 3 m de diámetro.5 a 2.UNALM. Las características de construcción estan ampliamente descritas en el manual "Métodos Simples para Fabricar Carbón Vegetal". sobre la tapa cónica del horno hay cuatro aberturas. FIGURA 7. Los tubos y canaletas se colocon de manera equidistante en la base del horno. de cenizas. dándole mayor versatilidad a las operaciones necesarios para ejecutar la carbonización. con tapa. El horno requiere de ocho tubos para entrada de aire/salida de gases. Prod. Química 16 cerca del nivel del suelo.9. Ciclo: 3-6 días % Carbono Fijo 80 %. la parva resulta ser versátil durante su construcción. que facilitan la salida de los gases de la carbonización. Industrias Forestales.9. Este modelo de horno fue desarrollado en los años 30. aserrín MADERA Entrada de aire FIGURA 7. La capacidad neta de una parva varia de 3 a 30 m3 st. las dos secciones cilíndricas del horno son montables una sobre la otra. 1983.4 y 7.5 m diámetro 2-3 m Largo 2-8 m . 0.3 m de longitud. c/u. Rendimiento 20-25 % FIGURA 7. Rdto 10-20 %. El modelo de horno metálico más utilizado en la actualidad es el horno TPI. El resto de características del carbón de parva es similar al descrito para carbón de fosa: alto contenido de material volátil.2 m3. en Europa. los hornos requieren de un costo de inversión para la construcción. Tambien en el método de parva hay dificultad de circulación de aire y de evacuación de los gases de la carbonización.5: Parvas para producción de carbón vegetal en Manantay.5 m de altura. corteza.. aunque su capacidad es muy limitada. requiriendo ademas de calentamiento externo. de 2 a 3 m de ancho y de 2 a 8 m de longitud.3 Hornos de Carbonización En líneas generales. este tipo de hornos son transportables. Ciclo: 10-40 días % Carbono fijo 55-80 %. MÉTODO DE PARVAS tierra hojarasca. Como hornos metálicos se pueden utilizar los cilindros vacios que se utlizan para envasar lubricantes.5) se resalta: se utiliza una lámina de acero de 3mm de espesor en la sección cilíndrica basal. Forestales Transf. MADERA Entrada de aire 7. sin embargo. Para la sección superior y cónica se utiliza lámina de acero de 2mm de espesor.Dpto. Comparando con el método de fosas.5: Diagrama de producción de carbón vegetal en horno metálico El horno metálico presenta varias ventajas.5. conectado a una pequeña canaleta metálica que sirve de base a la sección cilíndrica basal. Pucallpa. ver figuras 7.1 Hornos Metálicos Si bien existen refrencias de hornos metálicos fijos. Las dimensiones de un parva varian de 1. Gonzales Mora .3. de carbonilla. los tubos tienen una longitud. 7.5-2. En la construcción del horno TPI (ver figura 7. de 2. aunque la calidad del carbón es muy variable: el contenido de carbono fijo varia de 55 a 80%. comparado con el carbón producido por los métodos anteriores. El horno tiene una vida útil que varia con la calidad del material utilizado para construir el horno. La sección basal presente en el borde un perfil de hierro de 50 mm que le permite soportar el peso de la sección superior y la tapa cónica. del Tropical Products Institute. el ciclo de carbonización dura de 10 a 40 días. 04/05/13 E. de 10 a 20 %. El tubo se coloca en la base del horno. El horno TPI consta de 3 partes principales: 2 secciones cilíndricas (basal y superior) y una sección cónica superior.4: Diagrama de producción de carbón vegetal en parva HORNO METÁLICO TPI (Mark V) Capacidad: 1 m3 st. la vida útil del horno. 7. Pero se presentan las siguientes desventajas: • El costo de inversión es alto.3. los ciclos de carbonización son cortos: de 4-6 días.7: Diagrama de producción de carbón vegetal en horno ladrillo.2 Hornos de Ladrillos Este tipo de horno. los ladrillos contribuyen a un mejor aislamiento del sistema. son construidos con ladrillos que se fabrican b) Horno colmena Este es un modelo diseñado en el Brasil. • • • HORNO DE LADRILLO: Media naranja Forma semi-esférica. Pucallpa. Química 17 comparado con carbonización: - otros métodos de - hay una carbonización homogénea.Dpto. Las temperaturas externas alargan el período de carbonización o hacen variar la calidad del carbón en una carga. producto de una mejor circulación de aire y gases de carbonización. pero aumentando el costo respectivo. por la calidad del acero utilizado en su construcción. Se puede utilizar un mejor acero de construcción.UNALM. tal como se observa en la figura 7. Gonzales Mora 04/05/13 . es un horno fácil de instalar y requiere de poco personal para su instalación y supervisión. Forestales Transf. Industrias Forestales. El horno metálico se corroe rápidamente por efecto de los gases ácidos del proceso. hay poca contaminación del carbón con la tierra. de instalación fija. El ciclo de carbonización dura 15 días. La calidad del carbón lo hace más versátil en sus usos.9 Carga m³(st)/ciclo total ciclos promedio # ciclos/año/horno N° hornos necesarios 20-25% 600 t/año 2400-3000 t 0. Una inversión mínima de construcción esta sobre los 350 $US por un horno.9. con dos especies forestales: Madera Rdto.85 2823-3529 3137-3921 1 3529 45 78.7. según el tipo de acero empleado. ver figura 7. Los hornos metálicos TPI producen de 500 a 800 kg de carbón por cada ciclo. Los hornos de ladrillos presentan una gran capacidad de producción.6: Diagrama de producción de carbón vegetal en horno media naranja Una variante del horno ha sido desarrollada en la zona maderera de Pucallpa. el rendimiento de carbón es alto: de 20 a 25%. La E. localmente. permitiendo su instalación cerca a las fuentes de materia prima. Prod.4 ≈ 79 Densidad básica Volumne m³(r) 3 m (st) f=0.6. Es un horno construido en forma semi-esférica.5 t de carbón por ciclo Rendimiento neto: 26 % FIGURA 7.56 4286-5357 4762-5952 1 5357 45 119 FIGURA 7. el carbón obtenido es de buena calidad: carbono fijo promedio de 80% y material volátil menor al 15%. favoreciendo los rendimientos elevados de carbonización: de 20 a 26%. Para un programa de producción de 600 t de carbón vegetal por año se hizó la siguiente estimación. hay influencia de la temperatura ambiental en zonas de climas fríos. Comercialmente se conocen 4 modelos de hornos de ladrillos para la producción de carbón vegetal: a) Hornos tipo media naranja Modelo de horno diseñado en Argentina. varía de 2 a 3 años (86-108 semanas). Carbonización Producción carbón Consumo Madera seca Algarrobo Eucalipto 20-25 % 600 t/año 2400-3000 t 0. Por las paredes metálicas del horno. con un diámetro de 6 m.5 t de carbón por ciclo y un rendimiento neto de 26%. variando con el modelo empleado. Hay dificultad para la recuperación de los gases condensables. con un diámetro de 6 m Ciclo de carbonización: 15 días Producción: 7. para una producción de 7. son transportables. de color negro brillante y suele dar por golpe un sonido metálico. Gonzales Mora 04/05/13 . En la práctica. Fin de la carbonización: se identifica esta etapa por el color del gas que sale. b) Composición La calidad del carbón vegetal se suele evaluar por sus componentes: carbono fijo. Enfriamiento: depende del método utilizado. por apariencia. Los valores de CF estan en relación directa con la calidad del carbón. el rendimiento de carbón es de 22 a 26%.Dpto. en todos los casos. tal como se muestra en los 6 siguientes valores (FAO) : Temperatura (°C) 280-380 CF % 78 7. Descarga del carbón. como desventajas: • • • Hay un alto costo de construcción del horno. necesaria para elevar la ta temperatura en la 4 etapa endotérmica. En este caso. los materiales volátiles. La carbonización se desarrolle solo por las ra reacciones exotérmicas de la 3 etapa.UNALM. los hornos de ladrillos presentan ventajas comparativas: ○ El carbón de hornos de ladrillos es de buena calidad: se obtiene con valores de carbono fijo mayor a 80%. pero la presión generada por los gases que se liberan impide el ingreso del aire al interior. El sistema no se encuentra presurizado.9. abaratando los costos de su fabricación. todas las entradas de aire son cerradas. Son reparables. utilizando métdos de producción comercial.4 Ciclo de Carbonización En todo sistema de carbonización. Ingreso de aire. Los tiempos de enfriamiento van de mayor a menor en el siguiente orden: fosas . En este caso. su instalación requiere de una planificación previa de abastecimiento de madera que garantize la recuperación de la inversión. Industrias Forestales. Los períodos de un ciclo de carbonización incluye: a) Construcción: solo en en el caso de fosas y parvas. las cenizas y humedad. Pero. la vida útil del horno es mayor que los hornos metálicos. Los planes de producción de carbón en hornos de ladrillos suelen considerar la construcción de baterias: conjuntos de 420 hornos por bateria. su peso es ligero. Los valores de CF suben con la temperatura. Química 18 forma del horno es de una base cilíndrica y la parte superior semiesférica. humo tenue azulado. Forestales Transf. desde la carga E. el ciclo de carbonización es mayor. c) Encendido de la carga hasta que alcanze las d) temperaturas necesarias en las primeras etapas endotérmicas del proceso Control de entradas de aire. El diámetro de este horno es 5 m y tien un volumen efectivo de 45 m3. los hornos media naranja y colmena pueden ser desmontados y reinstalados en otro lugar. fosa o parva. comparado con los hornos metálicos. con los mismos materiales. aumentando los usos del carbón. Prod. Al igual que los otros métodos. b.hornos metálicos. Durante la carbonización. Un horno colmena tiene un costo de alrededor 600$US c/u.10 Características del Carbón Vegetal: Evaluación de Calidad a) Apariencia Un buen carbón vegetal. b) Carga de madera en el horno. los ciclos de carbonización son menores que los de otros métodos (fosas y parvas). los operadores suelen diferenciar las diferentes etapas por el color y olor de los gases de la carbonización.parvas . Los ladrillos para los hornos pueden ser construidos localmente. ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ e) f) g) h) 7. El ciclo de carbonización dura de 9 a 12 días y una producción de 4 a 6 t de carbón. identificando el final del proceso. con buena circulación del aire y los gases formados. Los tres primeros son características inherentes a la materia prima y al método de carbonización. se cierran las entradas permitiendo el ingreso de una mínima cantidad de aire. es quebradizo. se distinguen diferentes períodos de trabajo. La vida útil media del horno es de 6 (5 a 8) años y el costo de construcción estimasdo en 600-700 $US por horno. Son hornos de gran robustez y con buena capacidad de aislamiento y protección.hornos de ladrillos . en comparación con la madera. hay de madera hasta la descarga del carbón. es preferible su instalación cerca a las fuentes de abastecimiento de madera: cerca a los bosques o a otras industrias forestales. Los valores medios de CF varian de 60 a 80%. Incluye tiempo para clasificación y embolsado del producto.1 Carbono fijo (CF) Es considerado el componente principal del carbón vegetal y teóricamente corresponde a carbono puro. la carbonización se efectúa en forma homogénea. los rendimientos en todos los hornos de ladrillos son mayores a 20%. etc. el valor de humedad del carbón dependerá entonces de la porosidad y de las condiciones ambientales. los valores de MV pueden llegar hasta 40%. El porcentaje de carbono en madera es aproximadamente 50% (bms). se obtiene por diferencia porcentual de los demás componentes. Los valores de MV disminuyen con la temperatura. b. Industrias Forestales. durante la carga y descarga. para fines industriales. los valores de MV varian de 10 a 15%.03 a 0. En este caso se menciona a: • • azufre: variable entre 0. En ciertos casos. una muestra de carbón a la temperatura de 900°C por un tiempo de 7 minutos. se debe evaluar la fórmula de cálculo de MV. estos casos corresponden a adulteraciones comunes durante la comercialización. se encuentran carbones con valores de H mayores a 10%. La presencia de iones metálicos induce a la formación de cenizas durante la carbonización. para la mayoría de sus usos. Cz y H: en el método ASTM. según norma ASTM D1762. del carbono fijo.5 a 1. los valores de Cz suelen ser altos debido a que. tambien tiene influencia el método de carbonización. (ASTM 1762) Dependiendo de la fórmula utilizada. los valores de humedad no deben ser mayores E. aunque el b. Forestales Transf. una mala calidad de carbón. en este caso. se pueden alcanzar valores de Cz mayores a 20%. para el calculo de CF: %CF = 100 ( %MV + %Cz). Los valores altos de MV indican. fósforo: de 0.8.35%. b.0%. El MV desaparece antes de empezar la oxidación del carbón ANÁLISIS DE COMPOSICIÓN Para el análisis se aplica el esquema de muestreo mostrado en la figura 7. comparando con los valores de rendimiento (menores a 30%) . la base de calculo es sobre base seca.5 Otros elementos Se menciona a elementos que aparecen en trazas o valores mínimos en la composición del carbón vegetal. los valores de H del carbón vegetal varian de 1-2 %. Química 380-500 700-900 84 91 19 Otras variables que influyen en los valores de CF son el método de carbonización. el carbón pierde la capacidad de higroscopia por la eliminación de los radicales OH. en estos métodos la dificultad de evacuación de los gases permite la absorción de una mayor cantidad de alquitranes en la estructura de carbón.3 Cenizas (Cz) Los valores de cenizas en el carbón estan en relación directa con las cenizas de la madera. % de carbono en madera. El caso contrario ocurre con una carbonización rápida y baja temperatura. Por lo general. la especie. los valores normales de Cz varian de 1 a 5%. En métodos de fosas y parvas. Por apariencia es difícil distinguir un carbón seco de un carbón húmedo. El calculo de CF se realiza aplicando la fórmula siguiente: %CF = 100 (%H + %MV + %Cz) El análisis.Dpto. Gonzales Mora 04/05/13 .03 % b. El análisis de material volátil en laboratorio se obtiene calentando. sin contacto con aire. En laboratorio. la humedad es inferior a 4%.01 a 0. Prod. En el caso de fosas y parvas. componentes del suelo o tierra se mezclan con la madera o carbón. a 5 %. este elemento en coque varia de 0.8: Esquema a seguir en muestreo para análisis de carbón vegetal El análisis principal.4 Humedad (H) Luego del proceso. respectivamente. en métodos con hornos.UNALM. En promedio. no considera la humedad. la toma de muestra se realiza luego del acondicionamiento del carbón al aire libre. c) Poder calórico (Pc) El poder calórico del carbón vegetal es equivalente a las calorias que aporta la oxidación de su contenido de carbono fijo. salvo que se recurra a una prueba de control. se estima que el resto de carbono se oxida y se pierde en la carbonización. CARBONIZACIÓN Cámara de enfriamiento (48 h) ANÁLISIS Acondicionamiento al aire libre FIGURA 7. el tiempo.2 Material volátil (MV) Formado principalmente por hidrocarburos (breas y alquitranes) de alto peso molecular. Con una carbonización lenta y alta temperatura el CF alcanza valores de 90%. Y la relación Pc = 94. Química 20 material volátil aumenta ligeramente la energía liberada.9 se observa una imagen de una partícula de carbón vegetal. Para fabricar carbón activado. En metalurgia. para fabricación de acero y aleaciones de metales: actúa como endurecedor y separador. pero con tratamiento especial (activación). Algunos industrias (cemento) y para uso doméstico. puede haber influencia favorable de los componentes volátiles.45 kcal de SE del carbón vegetal varía de 1 a 2 m²/g. con un rendimiento de 27. mostrando su porosidad. carburo de calcio.4. A menores valores de temperatura de carbonización.globulus. son las características de composición las que definen la calidad del carbón vegetal. f) Superficie específica (SE) Evaluada en m² por gramo de carbón.Dpto. En ciertos casos. Industrias Forestales. Los usos más comúnes del carbón vegetal son: • • • • Como combustible. El poder calórico del carbón vegetal varia de 6000 a 7000 kcal/kg. en la práctica la densidad del carbón varía de 0.En la figura 7. Un anuncio de compra de carbón para metalurgia e industria química definió las características del producto: • Carbono fijo mínimo 70% • Humedad máximo 5% • Material volátil (cisco) máximo 20% • Cenizas máximo 5% e) Peso específico y Volúmen Este valor es proporcional a la densidad de la materia prima. para gasógenos.31 g/cm³ (Remigio .87 kcal/g Pc = 7870 kcal/kg El poder calórico del carbón tambien es un indicador de calidad del carbón. FAO (1980) determina factores de equivalencia de 1000 kg de carbón vegetal con otros combustibles. parrilladas) y restaurantes (pollerías). sobretodo en uso energético. La reacción de oxidación del carbón es: C + (12) O2 (32) ⇒ CO2 + 94. Tal como ya se menciono en el capítulo anterior. etc. 1983). que se depositan en los intersticios o espacios libres de la porosidad del carbón. con una gran E. tal como se menciona a continuación: Equivalencia de 1000 kg de carbón vegetal Petróleo 550 kg Electricidad 7260 kW-h Carbón bituminoso (mineral) 830 kg Madera seca (h=15%) 1650 kg Madera verde (h=60% 2500 kg FIGURA 7. se prefiere alto porcentaje de MV debido a que enciende fácilmente y se obtiene mayor poder calórico.UNALM. cianuros. Los valores de poder calórico estan influenciados en forma directa por los valores de CF y MV.56) obtenido a 450°C. tuvo una contracción volumétrica de 49.45/12 = 7. Db=0.9: Imagen de partícula de carbón obtenido de madera de algarrobo (Prosopis pallida) Tal como ya se mencionó. El valor promedio 7.7 % y una 7 densidad estimada de 0. usos domésticos (cocinas.2 a 0. Forestales Transf. Gonzales Mora 04/05/13 . Como materia prima para elaborar reactivos químicos: sulfuro de carbono. El carbón de eucalipto (E. este valor aumenta con la temperatura de carbonización debido a la menor presencia de MV. el uso del carbón vegetal como recurso energético sólo se justifica con un costo bajo de producción y en regiones con poco acceso a fuentes tradicionales de energía (zonas rurales alejadas en Sierra o Selva). Prod.5%. derivados de alquitranes. el carbón es más denso debido a la mayor presencia de material volátil. Las evaluaciones del poder calórico se obtienen con ayuda de un calorímetro.11 Usos del Carbón Vegetal En la mayoría de los usos del carbón vegetal estan influenciados por los valores de carbono fijo: un buen carbón tiene valores altos de CF y bajos en los otros componentes. la superficie aumenta de 100 a 1000 veces el valor original. El carbón vegetal en fuego directo es muy utilizado para cocinar en restaurantes ("pollerías") y en barbacoas (BBQ) o parrillas de uso externo.10. decolorantes o filtros en fases líquida o gaseosa. Como polvo de carbón. etc. razón que alienta su exagerada demanda. con la abertura mínima. para este uso. La selección de tamaños se efectúa mediante el uso de tamices inclinados. seleccionado.UNALM. Producto de gran demanda. y Carbotérmica S. Gonzales Mora 04/05/13 . el uso del carbón vegetal en cocinas de uso interno es un potencial 9 peligro para las personas que se ubican cerca de la combustión del carbón. Las formas de uso del carbón vegetal.A. Química 21 • • superficie de adsorción (SE: 300 a 2000 m²). Argentina) . Canada . El precio FOB promedio de producción varía de 0. el resto proviene de la importación de países de la región 10 (Brasil.10: sacos con carbón vegetal. E. ver figura 7. luego de la descarga del carbón.11. La ausencia de otros elementos. razón por las que no se prefiere su uso. Pucallpa. La combustión del carbón. resulta ser una ventaja para el refinamiento de los metales o para mantenerlos en estado líquido luego del colado.Dpto. aditivo en pienso para animales En forma de aglomerados o briquetas. polvos u otro similar a la carbonilla. 7. Esta característica es notoria en el carbón de algarrobo. FIGURA 7. varía de 20 a 90 mm (Huard. Una forma de control de la emisión de CO es mediante el uso de detectores de humo. además el carbón. permite aumentar el rendimiento y mejor aprovechamiento de la materia prima. salvo como forma de briquetas. El tamaño requerido en el carbón vegetal.1 Utilización como recurso energético El uso del carbón vegetal es ventajoso. comparado con la madera. utilizado como depuradores. purificador de agua y licores. Este carbón es muy apreciado por el gusto que otorga a los alimentos cocidos con este combustible. como briquetas. garantizan la calidad del carbón vegetal en la industria metalúrgica. sobretodo del azufre. 1997). quienes abastecen al 50% del consumo local. Prod. suele formar a temperaturas mayores a los 700 °C. aunque en pollerías el tamaño demandado es mayor a los 50 mm de lado. específicos para este gas.11. Al igual que la combustión con madera. Los carbones de dimensiones menores a los 10 mm se consumen rápidamente durante la combustión. Aunque el carbón enciende con dificultad. El poder calórico elevado del carbón vegetal.4 a 0.A. de uso energético. adsorbente de gases. menos del 5 %. es elaborado en el Perú por dos empresas: Hornos Eléctricos Peruanos S. Para la obtención de carburo de calcio se recomienda un carbón de buena calidad elaborado en hornos (TPI o colmena). durante su combustión mantiene un fuego lento y homogéneo. La formación de este gas es favorecida por una disminución del oxígeno en exceso. el CO es un gas nocivo para la salud. 7. sin embargo.3 Elaboración de Carburo El carburo es un insumo utilizado en soldaduras. El tamaño del carbón para este tipo de uso en cocinas es de un mínimo de 20 a 25 mm de lado. en condiciones normales se almacena con valores bajos de humedad. considerado de primera. por su alto poder calórico. mayores al 10 %.2 Utilización en Metalurgia El uso del carbón vegetal en metalurgia es muy apreciado debido a la pureza del producto comparado con el carbón mineral. Industrias Forestales.11. de madera shihuahuaco. sin liberar humos. algo similar ocurre con el carbón de 8 maple. 7. frente a los valores en madera.5 $ US/kg. el monóxido de carbono (CO) preferentemente al CO2. en Québec. Forestales Transf. sobre los 7000 kcal/kg. El carbón es activdo haciendo pasar através de ella vapor de agua. Gonzales Mora 04/05/13 . se utilizó una mezcla de sangre con potasio la cual era calentada. se señala que la acción de gases calientes llevan a estado gaseoso al material volátil. con el aumento de la superficie libre del sólido. Prod. la activación es mayor.11. dejando los intersticios libres. El empleo del aserrín se hace con aplicación de sales (método químico). evacuándolo del carbón. estas áreas tienen baja capacidad de adsorción. tal como sale de los hornos. Con la activación.Dpto. se aprecia. utilizándose huesos como materia prima. con el consiguiente aumento de la superficie específica que puede llegar a valores cercanos a los 2000 m²/g.UNALM. la activación se realiza mediante la aplicación de gasees a temperatura elevada (método físico). con cloruro de zinc o ácido fosfórico. en 1822. Luego se enfria y se lava el carbón para recuperar el agente activador. Se utiliza carbón vegetal granulado.12 se observa un diagrama de producción de carbón activado. como esquema. el carbón tiene la capacidad de atraer en su superficie moléculas de gases. El carbón vegetal. Activación química Se obtiene mezclando el aserrín seco. el carbón activado se filtra y se seca. Para la activación se utiliza directamente el carbón o indirectamente através del uso del aserrín.3 US/kg. Química 22 7. ganado porcino y bovino. dióxido de carbono o cloro. oxígeno y principalmente el carbono. Luego. principalmente con aves. El carbón activado tiene un costo de producción no mayor de $0. Cuando se emplea carbón. en los animales que lo ingieren.11. presenta valores máximos de superficie específica no mayores a los 2 m²/ g de carbón. infecciosa o parasitaria. el polvo del carbón adsorbe en su estructura a los gases del intestino y tambien retiene y neutraliza productos químicos. reduciendo el riesgo de enfermedades de origen digestivo. La carbonización se realiza en una retorta a una temperatura de 500 a 900°C. FIGURA 7. En la figura 7. El carbón vegetal molido actúa como una sustancia porosa capaz de captar elementos tóxicos del agua o de los alimentos. tal como se representa al lado derecho de la figura.11. la ruta que sigue el material volátil al entrar en contacto con un gas caliente. a temperaturas altas.. obtenido a 400600°C. Este mecanismo de atracción se denomina adsorción y se da entre la superficie libre de un sólido y el gas. E. una gran cantidad de cavidades o intersticios que alojan el material volátil (sustancias alquitranadas) que se forma durante la carbonización. microbios y toxinas. Una mezcla apropiada del polvo del carbón es de 0. Industrias Forestales.11: Esquema que representa la evacuación de material volátil durante la activación. incluso gases de combustión.5 Fabricación de Carbón Activado El carbón vegetal es un sólido compuesto por hidrógeno. Los primeros reporte de fabricación de carbón activado son del año 1811. 1997). a temperaturas variables de 800 a 1000°C.4 Uso como Aditivo en Pienso para animales Las características de adsorción del carbón vegetal es aprovechada cuando se le utiliza sólo o como mezcla de este producto en la alimentación animal. En la figura 7. en su estructura interna. Las partículas de carbón tienen. El tamaño del carbón vegetal molido debe ser menor a 1 mm de lado. el material volátil es eliminado por arrastre. el carbón activado puede alcanzar valores comerciales de 20 a 25$US/kg. 7. Forestales Transf.5 a 1 parte por cada 100 partes del alimento molido (Huard. Activación física Esta forma de activación es la mas utilizada. asimismo. Química 23 de bajo punto de ebullición). carbón mineral y residuos de petróleo. Se le utiliza para decoloración y refinación de azúcar. Acético ( 3 – 7%) • Alquitrán soluble (812%) FIGURA 7. recuperación de caucho. Los destilados se forman a partir de los 100°C (agua y volátiles 11 E. Usos del Carbón Activado Los usos del carbón activado dependen de su superficie específica.14. Industrias Forestales.12: Diagrama de Producción de Carbón Activado. Prod. madera. desactivación de insecticidas ingeridas por animales. clarificador de disolventes.UNALM. destructiva esta en que esta última implica además de la producción del carbón la recuperación de los destilados (licor piroleñoso). 1970. purificación y separación de gases. Los otros destilados provienen principalmente a partir de las hemicelulosas (a partir de 200°C). 04/05/13 Otros usos del carbón activado son para desactivación de herbicidas del suelo. purificación de agua. purificación de agua y suelo en general. de la lignina (entre 250 a 425°C) y de la celulosa (entre 290 a 12 340°C). etc. 7. Decantación Ácido piroleñoso Destilación simple Acetileno Destilación fraccionada Metanol (0. Un esquema de la destilación seca y el procesamiento de los destilados es mostrado en la figura 7. Wenzl . Se obtiene a partir de cáscara de coco. lignito. tratamiento de alcantarillas. Forestales Transf. residuos de papel. ver figura 7.Dpto. CARBONIZACIÓN carbón: 20-30% gases NC (15%) CO2 (38-45) CO (23-35) Alquitrán insoluble : 5-15% Condensación FIGURA 7. Carbón de fase gaseosa (SE de 1000 a 2000 m²/g): es un carbón granular y denso.13. Este método es conveniente en plantas piloto o equipos de investigación.12 DESTILACION SECA Según Panshing (1959) la diferencia entre carbonización y destilación seca o d.2 %) Ac. turba.13: Esquema de los productos obtenidos por destilación fraccionada del licor piroleñoso Las características de la madera para destilación seca son las mismas que para la carbonización. Gonzales Mora . Las etapas de la destilación seca son las mismas de la carbonización. etc. turba. consume 5 kg de leña para alcalnzar la temperatura de carbonización de 400-420°C. una retorta de laboratorio de la UNALM con capacidad para procesar 2 kg de madera. El método utilizado es el horno metálico a los cuales se les adapta tubos de metal para la evacuación de los gases hacia un sistema de condensación.8 – 2%) Acetona (0. Se le utiliza para recuperación de disolventes volátiles. Cabe agregar que la condensación es más efectiva utilizando tubos metálicos debido a su mayor coeficiente de conductividad térmica. La forma de calentamiento interna es la más conveniente. Un sistema de retorta metálica con calentamiento externo posibilita una buena recuperación de los destilados aunque el consumo de energía es elevado. aplicaciones catalíticas en industria química. clasificándolo en: • Carbón de fase líquida (SE hasta 1000m²/g): Se obtiene a partir de huesos. relacionado con la velocidad de calentamiento que influye inversamente con el rendimiento de carbón pero directamente con la producción de alquitrán. Gonzales Mora 04/05/13 . Además del agua. se les puede obtener fácilmente de los hornos metálicos y del sistema de parvas mejorado (Casamance. Forestales Transf. A. 1987): . aldehído fórmico. De igual modo.12. ○ FIGURA 7. que se separa de la fase anterior por decantación. Industrias Forestales. que influye directamente sobre la producción de los destilados. FAO-1983) con tubos metálicos instalados en las aberturas de salida de gases. nocivo y contaminante.1 Alquitrán insoluble Con un rendimiento (entre 5-15 % (bms). furfural. Este alquitrán.presión. aumenta el rendimiento de carbón pero disminuye la cantidad de destilados Al variar especies para destilación seca. aunque su bajo volúmen de producción es limitante para su uso. pirocatequina. y alquitrán soluble. El alquitrán o brea de las maderas de latifoliadas se emplea para la obtención de creosota y guayacol. xilenol.14: Retorta para Destilación seca 7. contiene todos los productos miscibles con agua como el ácido acético.Dpto. Composición del Licor Piroleñoso Dentro de este producto se distinguen dos fases.tiempo de carbonización. es considerado un reemplazante del asfalto.12. fenol. solubles en agua e insolubles. la separación de los otros componentes del licor piroleñoso.temperatura. 1983). tolueno. según FAO (1983). es el nombre del condensado bruto de la destilación y se compone principalmente de agua y alquitranes. Química 24 A. . por ser un producto de rápida condensación. corrosivo. Un análisis de esta sustanciadetermina su carácter fenólico y la presencia de compuestos orgánicos. los productos de destilación son afectados por 3 factores 13 importantes. como el ácido acético. propiamente dicho. su máxima obtención se logra a la temperatura de 250°C (rango 150-400°C). E. El guayacol es un fenol utilizado como ésteres (carbonato. es la fase de mayor densidad que el anterior. acetona. guayacol. con valores mayores a la presión atmosférica. fosfato) en farmacia por su 14 calidad como antiséptico y anticatarro (Devore . compuestos oxigenados. 1976). . Tambien denominado alquitrán de Estocolmo (FAO. que es el principal componente. Sin embargo. metanol o alquitrán. Alquitrán insoluble. acetaldehído. en menor proporción. La creosota oficinal se obtiene por rectificación del alquitrán entre 200 y 220°C. Se le utiliza como preservantes de madera. benzol. Otro uso es como aceite combustible. Pino . parafinas. metanol. el empleo de la madera en destilación seca no deja de ser una alternativa a futuro sea por la disminución de las reservas de petróleo o como una actividad adicional a la misma producción de carbón.UNALM.1 Productos de Destilación 7. etc. de buena calidad por la ausencia de cenizas y azufre. y en menor proporción acetato de metilo. químicamente de estructura compleja.1. en calafateo de barcos y tambien como material desinfectante por sus propiedades antisépticas. estos efectos negativos se reducen en el medio ambiente cuando se recupera el licor para obtener subproductos o como combustible. se ha observado relaciones directas entre la cantidad de licor piroleñoso y el contenido de polisacáridos (celulosa y hemicelulosas) en la madera. Prod. a temperatura ambiente. Por su apariencia. La composición y cantidades del licor piroleñoso varia en función de la especie utilizada. cresol. etc. representó una actividad económica rentable hasta el desarrollo de la industria petroquímica. más oscuro y viscoso. El licor piroleñoso es un producto de pH ácido. metanol. empleado en mecheros. ácido acético. ácido fórmico.1 Licor Piroleñoso Tambien denominado ácido piroleñoso. al final de la destilación: ○ Ácido piroleñoso. Producto Devore Remigio* Carbón 32-38 27. potasio.13 Analisis carbonizacion de costos en Los análisis de costos de producción del carbón vegetal se efectúan en función del uso final del carbón y del método de carbonización.UNALM.3 Cenizas Residuo de la combustión completa. Industrias Forestales. sodio.40 a 0.5 Acetato metilo 0. acetaldehído (CH3-CHO). El poder calórico de los gases combustibles varía de 2000 a 3000 kcal/m³.8 Alq.5 Acetona (CH3-CO-CH3) Usado mayormente como disolvente industrial.39 Guayacol 0. NC: no condensable.5 1.12-0. como solventes. 1983). pueden ser combustibles o no.insoluble 7-12 16.3 A.0 Licor piroleñoso 53. manganeso y ácidos salicílico y fosfórico.94 1. en farmacia.60 m³ sólido (ramas) E. donde hay un costo fijo representado por la inversión en la construcción del horno.11-0. 1980): COSTO madera al pie del horno mano de obra capital de trabajo costos fijos transporte del carbón % 60 9 3.1.62 a 0. NN autor desconocido 7. Su rendimiento es alrededor de 0.Dpto.02-1. Gonzales Mora 04/05/13 .1983): GAS CO2 CO Metano (CH4) Hidrógeno (H2) Etileno (C2 H4) Nitrógeno (N2) Oxígeno (O2) % de volumen 38-45 23-35 3.N. Sus equivalencias son las siguientes: • • 1 m³ st = 0.86 Acetaldehído 0. Valores de rendimientos de productos de destilación de 4 estudios diferentes son mostrados en el cuadro 7.0 Agua 22-28 20. fórmico 0. Devore (1976).acético 3-7 6.75 6. Los costos totales (CT) se determinan por la suma de los costos fijos mas los costos variables.7 3. Prod. Las cenizas representa menos del 1% (bms).41 0.6 Ald. Este producto proviene de los grupos acetil presentes en las hemicelulosas y en menor proporción de la c elulosa. A.5 26 En carbonización. cresoles 0. Pino (1987) (*) madera de Eucalyptus globulus a 450°C (Remigio.3 Metanol (CH3OH) Producto utilizado como solvente industrial.2 Ac. A. su origen puede deberse a la ruptura de los enlaces glucosídicos de la celulosa a temperaturas mayores a los 300°C.5 30 Metanol 0. 7.12. Los costos fijos se consideran solo para los hornos. 7.8-2 1. acetato de metilo (CH3-COOCH3).soluble 7. CUADRO 7.90 Gases NC 15 18.4 Ácido Acético (CH3COOH) Muy utilizado en la industria textil y plástica. Los rendimientos varían de 3 a 7% (bms). la madera utilizada se cubica como madera apilada siendo las unidades en el sistema métrico un m³ stéreo (1 m³ st) y en el sistema inglés una cuerda. magnesio. Forestales Transf. El rendimiento medio de estos gases es de 15% (bms) La composición de estos gases es la siguiente(FAO.8 a 2% (bms). fabricación de pinturas.5-17 1-5 2 18 2 % bms 5.0 Alq.68 m³ sólido (tocones) 1 m³ st = 0. A.45 2.3: Productos de Destilación seca CTFT N.5 Acetona 0.fórmico 1. pudiendo alcanzar valores hasta de 4780 kcal/m³.16 19. Una proporción de los costos de fabricación es la siguiente (FAO. Sus rendimientos varían de 8 a 12 % (bms).43 5.2 Alquitrán soluble Corresponde a un alquitrán ligero que permanece soluble en el licor piroleñoso.3 0.0 CTFT: Centre technique forestier tropical .21-0. hierro.1.2 0.66 1.55 0. Se le utiliza como nutrientes para el suelo. El nitrógeno y oxígeno provienen de la mezcla del aire con los gases de destilación.72 20. incluye elementos como calcio. aldehído fórmico (HCHO).15 0.63 15. con componentes de bajo peso molecular.12.3. proviene de los grupos metoxilos de la lignina.2% (bms).6 Otros productos Se encuentran otros productos de destilación como ácido fórmico(H-COOH). etc. Los rendimientos de metanol varían de 0.75 Ac.12-0.75 Fenoles. Química 25 A.2 Gases No Condensables Formado por gases que no condensan a las condiciones ambientales.27 0. la produccción excesiva del carbón. sus ventajas se mantienen cuando existe una gran disponibilidad de materia prima.6246 m³ st Un análisis de costos de producción de 8000 kg de carbón vegetal al mes.7 658. para producir carbón para la metalurgia.2759 cuerdas 1 cuerda = 128 pies³ = 3. solo muestran menos del 50 % de la producción real de carbón. entre los años 1985 a 1990.44/kg. alentada por la cercania al gran mercado de Lima. Un estudio de comparación de costos de producción de carbón. Dio como resultado un valor de venta de %0. con 1 una rentabilidad de 182 %. A nivel mundial. En los 04/05/13 7. frente a los hornos portátiles. la especie utilizada es algarrobo (Prosopis sp. tipo colmena se utilizaron. la producción del carbón vegetal puede alcanzar rentabilidades altas. Hacia fines de los años 80. Vista la información del cuadro anterior. 1 en Huancayo (1988) y 4 en AmboHuánuco. ver figura 7.Dpto. Hornos de ladrillo. El método de fosas se utilizaba en la zona de la Sierra Central (Valle del Mantaro) con madera de eucalipto (Eucalytus globulus) proveniente de los aserraderos de la zona. se ha estimado que el total de madera es de 8 millones.313 450 205. ** jornal 11.25 * costo 10$/m³. Esta género tambien aparece en la zona Sur (Ica y Arequipa) donde se le conoce como huarango. Los métodos de carbonización más utilizados son las fosas y parvas: a un rendimiento menor al 15%. los valores de producción. a fines de los 90. alrededor del 77% se destina para leña y el 3% para carbón. a causa de su costo de producción. mayor al carbón proveniente de la zona de Pucallpa y el que proviene del Norte peruano. Gonzales Mora .22 cuales. además el mercado de Lima prefiere carbón vegetal provenientes de maderas duras (algarrobo.95 0. a fines de los años 90. se utlizan tambien trozas con defectos.5 60 30 t $ 400 3 2. a cerca de 18 mil t. destinado a la obtención de carburo.15 Colmena 45 m³ 22 5 36 180 t $ 700 6 3.).14 La Carbonización en el Perú A pesar de los variados usos. de producción en Huancayo y venta en Lima. shihuahuaco). de gran capacidad. En ambos casos. En la misma zona. Industrias Forestales. 58% se destina para leña de la cual la cuarta se destina para producir carbón vegetal (400 millones m³).132 4 m³ 24 0.3 156. norte y sur. considera la información mostrada a continuación: TPI Capacidad madera Rendimiento (%) Producción (t/ciclo) Ciclos/año Producción anual Costo construcción Vida útil (años) COSTO FIJO ($/ciclo) COSTO VARIABLE Madera* ($/ciclo) Mano obra** ($/ciclo) COSTO TOTAL ($/ciclo) Costo unitario ($/kg) 40 114. favorece la rápida deforestación en los escasos bosques secos de la Costa peruana. en documento oficial.15: Producción de carbón vegetal en la zona de Lambayeque. de igual modo se utilizó un horno tipo media naranja en Cajamarca (1987). en el Perú es utilizado aún como un recurso energético. existe un horno metálico modelo TPI.UNALM. las estadísticas de producción muestran un elevado consumo de madera para leña y carbón. El método de parvas para carbonización es utilizado en la zona norte del Perú (Piura y Lambayeque). FIGURA 7. Forestales Transf. Química 26 • • 1 m³ st = 0. E. se demuestra la ventaja comparativa del menor costo del carbón obtenido en hornos tipo colmena. de los cuales 2.52 0. Aunque el costo mayor del horno colmena es una desventaja.4$/día x 2 personas. de las 1 Referencia : 1 dólar = 16 intis. la producción paso de 8-10 mil t. en 1989. El análisis demuestra que. La producción de carbón vegetal en la zona de Sierra Central es mínima en la actualidad. Prod.8 a 3 millon correspondian a madera para leña y carbón. aunque su uso es irregular para producir carbón vegetal. distrito de Sapallanga. el consumo total de madera se estimaba en 4 millones de m³(r). en el momento (1986) y según la demanda del mercado. del consumo mundial de madera 3000 millones m³. en las zonas de Iberia. aprovechando residuos forestales y empleando hornos como sistemas eficientes de producción. Chilina y San Lorenzo. de Newton: E. Las zonas de abastecimiento del carbón son la costa norte peruana y Pucallpa. son para la elaboración de briquetas -aglomeradas con arcilla. Forestales Transf. en Madre de Dios. etc.17: Generación de residuos y efluentes de carbonización. los usos principales son en la fabricación de reactivos químicos (caso de RENASA) en cocinas de restaurantes y pollos a la brasa. Actualmente el horno no se utiliza. la especie utilizada fue el eucalipto. empírica. Selva Central. Pucallpa. en menor proporción. y probablemente alquitranes condensados mu y cerca de la orilla del río Manantay. como parte de un programa de promoción estatal (INIA) se utilizó en la zona de Pucallpa y zonas aledañas. Iñapari. El mercado principal para el carbón vegetal esta en Lima. El problema que genera esta forma de carbonización es el manejo de los residuos. Industrias Forestales.17 se observa residuos de carbón. el proyecto no cumplió con sus objetivos. Pucallpa Para el problema. la temperatura llega a los 200°C. de enfriamiento. no necesariamente con fines de utlización económica. se aplica la Ecuación. sino con el fin de reducir el efecto negativo en el medio ambiente a causa de los gases que se emiten durante el proceso. esta producción se encuentra paralizada por cierre de la empresa maderera. se recomienda evlauar la posibilidad de aprovechar los gases condensables. en la zona del Manantay. se han utilizado en la zona de Pucallpa (25 hornos) en la producción de carbón de maderas de shihuahuaco y quinilla.16 ). Prod. Las tendencias mundiales demuestran aún las ventajas comparativas del carbón vegetal en la industria. El método de parvas es el que mas se utiliza en la zona de Pucallpa. sabiendo que se debe descargar el carbón a una temperatura media de 40°C.Los hornos de ladrillos. El Perú podría ampliar la capacidad productiva de este carbón con el fin de promover una industria carboquímica. Otras formas de uso.Dpto. alrededor del sistema de carbonización es de 20°C. Los hornos colmena formaron parte de un programa de desarrollo energético y electrificación con gasógenos.16: Producción de carbón vegetal con residuos de aserraderos. Oxapampa. donde se emplean residuos de las industrias madereras de transformación mecánica. Luego de cuatro horas de enfriamiento. FIGURA 7. y más bien se encuentra en deterioro. afluente del río Ucayali. en la zona de Iscosazin. efluentes y gases no recuperados que son causa de un impacto en el medio ambiente. como lugares apropiados para desarrollar una industria eficiente de obtención de carbón vegetal. se menciona a las zonas de Junín.1 En un horno metálico TPI se carboniza madera a una temperatura máxima de 550°C. este horno se empleó para producir carbón como parte de un programa de aprovechamiento integral de un bosque tropical. La temperatura del medio. por parte de Electroperú. FIGURA 7. Pucallpa 7. en la figura 7.15 PROBLEMAS PROBLEMA 7. Química 27 últimos casos. esta es la principal forma de producción de carbón en la Selva peruana. principalmente de las plantas parqueteras ver figura 7. Los lugares con capacidad de desarrollo son aquellos donde se hay actividad de extracción y transformación de madera. Huánuco. Gonzales Mora 04/05/13 . modificados. Se pide calcular el tiempo óptimo para la descarga. Asimismo.UNALM.(Puente Piedra) y producción de carbón activado (San Juan de Lurigancho). Un horno TPI. 9812 200 = 20 + (550 .01592 noche: 300 = 20 + (500 . Se pide calcular el período de enfriamiento hasta llegar a una temperatura menor a 40°C.25) e -12*0.04492 = 155°C Tercer día: De manera similar: Xt = 25 + (155 . al tiempo 0 k constante de la ecuación 450 400 350 y = 5.01592 = 75°C E.19: Tiempo vs. 25°C día) Xo. Temperatura en el horno de ladrillo Primer día: Se estiman las constantes. la ecuación queda como sigue. la temperatura del horno llega a 500°C. en base a los datos experimentales día: 500 = 25 + (600 .20) e -(0.20) e -12*0. Prod.0377358 y por antilogaritmo t = 12. Aplicando la ecuación general de enfriamiento de -kt Newton: Xt = Tm + (Xo .27) t 300 250 200 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Tiempo 80 (min) Si la temperatura en el tiempo t es 40°C. A las 12 hora. en el día la temperatura media exterior es 25°C. La representación de la curva del tiempo de enfriamiento t (h) en función de la temperatura final Xt (°C) es representada en la figura.20) e -12*0. se requiere un total teórico de 12 h y 8 minutos. Gonzales Mora 04/05/13 .04492 Segundo día: En base a las constantes. para el horno TPI y las condiciones de trabajo especificadas: En la ecuación se define a: Xt = 20 + (550 .18: Tiempo de enfriamiento en función de la temperatura final Tie mpo e nfriamie nto (h) Xt = 25 + (85 .UNALM.25) e -12*(k1) k1 = 0. Industrias Forestales.27) t = (20/530) = 0.01592 = 252°C Xt = 20 + (252 . entonces.20) e -12*(k2) k2 = 0. Química 28 Xt = Tm + (Xo .27) t e -(0.3396 530 por antilogaritmo se obtiene k = 0. En las siguientes 12 horas la temperatura llega a 300°C.27 de esta manera. 60 50 40 30 20 10 0 FIGURA 7.27 x + 18. día o noche: Xt = 25 + (300 . reemplazando valores en la ecuación: 40 = 20 + 530 e -(0. Forestales Transf.26998 ≈ 0.24 R2 = 0.Tm) e Se estima el dia de 8am a 8 pm la noche de 8 pm a 8 am Xt (°C) temperatura luego del tiempo t (12 h) Tm temperatura exterior (20°C noche.01592 = 132°C Xt = 20 + (132 .27) t Temperatura Xt = 20 + 530 e -(0.25) e -12*0.Tm) e -kt donde: Xt (200°C) temperatura luego del tiempo t (4 h) Tm temperatura exterior (20°C) Xo (550°C) temperaura inicial.04492 = 85°C Cuarto día: De manera similar: 600 500 400 300 200 o 100 0 Temperatura final ( C) FIGURA 7.Dpto.2 En un horno de ladrillo se tiene una temperatura final de carbonización de 600°C.i (°C) temperaura inicial del día i. en la noche la temperatura es 20°C.138 = 12 h 08 min Para enfriar el horno de los 550°C hasta la temperatura de descarga.20)e-k(4) despejando valores e -k(4) 180 = —— = 0. al tiempo 0 k constante de la ecuación Se reemplazan valores para hallar la constante k: PROBLEMA 7.25) e -12*0. 11 g = 12000 cal/g 29.868 32.65 m sólido. cenizas y humedad.básica 0. se asume que la empresa siderúrgica es la que invierte en la producción de carbón . (b) método de carbonización apropiado para satisfacer la demanda de la planta.525 t/año = 04/05/13 E.04492 = 52°C Quinto día: De manera similar: Xt = 25 + (52 .07 En base a 2 criterios se seleccionó el horno de ladrillos colmena. $US/año CU: $US/año/t c.UNALM. es 7850 kcal/kg (cal/g). solo 1 hombre trabaja todo el ciclo y los demás solo lo hacen 5 dias al inicio y 5 al final. Fosas Capacidad: m³ sólido *Db =t /ciclo Producción carbón (t/ciclo) *#ciclos=t/año Costo construc.5 Se tiene la siguiente información sobre 4 métodos de carbonización: TPI colmena Parva Fosa inversión $ vida útil años costo $US.67 48. temperatura max. Por teoría.861 19.25 2.73 17.62 113.5 11. 3 madera d.60 46. Industrias Forestales. con fines didácticos.30 3 8 30 17 25 12 65 0. Química 29 3 12 45 22 12 25 80 0.04492 = 36°C En base a los resultados anteriores.20) e -12*0.12 91.5 129. temperatura de una retorta de destilación seca. días trabajo año 300. Se busca abastecer de carbón vegetal a una planta siderúrgica cuya demanda media es de 100 t/mes.305 23.55 3.12 95. en cada caso y ganancia neta .83 g C ⇒ 6.861 19. dias/h/ciclo dias/h/año Costo operarios $US/año CU: $US/ano/t c.15 4 8 45 20 60 5 70 0. PROBLEMA 7.53 kcal Lo que indica que hay 6530 calorías en el carbón vegetal que corresponden a lo aportado por el carbono fijo. medido en un calorímetro.4 Estime el poder calórico del material volátil de una muestra de carbón cuyo porcentaje de carbono fijo es 83% y el material volátil 11%.861 t/ciclo equivale a 96.7 1. recien se podría descargar luego del 5to día de enfriamiento. aportados por el material volátil.20) e -12*0. La diferencia (7850 . sin embargo. (c) unidades necesarias del método seleccionado para satisfacer la demanda en forma oportuna.20 Xt = 20 + (75 . $/kg 0.30 Requisitos: Carbono fijo > 70% humedad < 5% Cenizas < 5% Volátiles <20% Información general: 1 m st = 0.Dpto. En los hornos metálicos y colmena el trabajo de los operarios es permanente. De acuerdo a los requisitos.071 1. ya se debe descartar el método de parvas porque el carbón obtenido con este método presenta un bajo valor de carbono fijo. La relación calorias vs MV: 1320 cal / 0. Prod.87 kcal 0.525 133 140 100 500 2500 129.6530) = 1320 cal. Forestales Transf. medio % 24 ciclo (días) 6 #ciclos/año 50 Carbono fijo % 80 precio vta.25) e -12*0. Suma CU Parvas TPI Colmen a 3 3 Temperatura (°C) 30 50 90 130 160 180 220 260 270 280 310 320 340 380 PROBLEMA 7. Se pide determinar: (a) costo unitario de producción.75 96. # hornos colmena: producción 3.655 3. tomando como base 1 g de carbón: 1.55 0.25 17.5 45 540 4. 500 °C. no aportan calorías al carbón.0 g C ⇒ 7. Gonzales Mora .3 Estime la ecuación de calentamiento a partir de los siguientes datos de tiempo vs. $US/kg carbón.01592 = 47°C Xt = 20 + (47 . 300 3 400 600 5 700 - 2700 3000 4500 113. Tiempo (min) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 personal 2 jornal ($/día) 12 3 Capacidad m st 7 rdto. se efectuará el análisis de los 4 métodos. pero en los otros casos.55 29. Las otras fracciones. El poder calórico del carbón.450 600 900 PROBLEMA 7.60 g/cm .989 4. 95) # hornos = –––––––––––– = –––––––– = 11. Los volátiles pueden ser reconducidos y eliminados con facilidad.00725* [(1x106)/2400] [(1x106)/7200] [(1x106)/kcal/kg] CU ($US/1x106 kcal) 3.81≈ 12 8.2 kg 7200 0. sin embargo el tardío encendido con madera y la producción de volátiles son desventajas comunes. 2400 1. para los problemas.UNALM.5264 como referencia el m³(r) de madera madera carbón Madera 1 m³ (r) 1 m³(r) Costo ($US) 5/m³(r) 30/t carbón Equivalente a 5/690 kg Msa 30/1000 kg carbón CU ($US/kg) 0. La madera tiene un costo de preparación (troceado) de 5 $US/m³.8 veces que las obtenidas por el carbón b) Para el costo de las calorías.02 4. al cabo de un mes de secado al aire. c) Determine un modelo de programación lineal para obtener los costos de producción del 2 carbón vegetal.04 t/mes 8.04 t/mes 100 t/mes(1-h) 100 (0. el lector debe considerar como días laborables por año 330 y el tiempo de trabajo por día 24 horas.Dpto.91584 = 1. Prod. datos: PCI de madera (h=15%) 2400 kcal/kg PCI de carbón (h=6%) 7200 kcal/kg Análisis: Comenzando con Madera D básica Madera anhidra M seca aire (h=15%) Rdto.00725 0. luego de un mes. La madera utilizada es de un costo bajo frente al carbón. Forestales Transf. se obtiene carbón con 6% de humedad (bms). Gonzales Mora . seguimos tomando 2 Para desarrollar en Campo II-Pucallpa 04/05/13 E. Se pide estimar: total de calorias producidas (por m³ y por t). la humedad de la madera es 15% (bms).6 600 kg 120 kg 127.03 Equivalente a 2400 kcal 7200 kcal 0. con una especie forestal de densidad básica 600 kg/m³. En la obtención del carbón. utliza madera con bajo contenido de cenizas. costo 6 energético ($US por 1x10 kcal).76 En ambos casos. reduciendo el problema de la descarga de este componente. El costo de producción del carbón es 30 $US/t.91584 1. Se pide determinar la conveniencia de utilizar madera o carbón.656/0. para generar vapor. SIMBOLOGIA CMA: crecimiento medio anual del bosque d : densidad relativa db: densidad básica ds: densidad saturada s/c: madera sin corteza bms: base materia seca h : factor de humedad s : factor de sequedad CF : carbono fijo MV : material volátil t : tonelada métrica (1000 kg) nota : salvo que se mencione el dato respectivo.17 CU: costo unitario La madera tiene el menor costo energético que el carbón. hay una mayor producción de energía utilizando madera en una proporción de 1.6 600 kg 690 kg Carbón 1 m³(r) 0.04 # hornos = 12 hornos PROBLEMA 7. Industrias Forestales.03 * CU * 0. (20%) Carbón (h=6%) PCI (kcal/kg) 106 kcal/m³ (r) madera 106 kcal/t madera anhidra Msa: madera seca al aire a) madera 1 m³ (r) 0. se utiliza el método de fosa con rendimiento de carbonización de 20%. Química 30 8.6 Un horno que trabaja con madera o carbón.656 2. FAO (1983). 11 PANSHING. URL: http://es. "INDECOPI inicia investigación por dumping en carburo de calcio". (1995). Vol. Rev. Bilbao. 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