Jacek Janczak
JACEK JANCZAK, ingeniero polaco, escribió inicialmente este articulo como un estudio de la FAO para la Conferencia de las Naciones Unidas sobre Fuentes de Energía Nuevas y Renovables, Nairobi, agosto de 1981.
El rendimiento de los combustibles agrícolas comunes puede ser mayor si se elaboran racionalmente. Los métodos son simples y económicos.
Figura 2. Banco para apretar haces.
Las tecnologías simples para la obtención de combustible en los países en desarrollo se basan en los recursos disponibles y en el principio de a hágalo usted mismo». Aunque los instrumentos para la elaboración del combustible pueden fabricarse en el lugar, lo que se necesita es un programa de demostración y capacitación bien organizado que abarque amplias zonas de estos países.
Aunque la elaboración simple aumenta considerablemente el valor calorífico los biorresiduos, cada clase de combustible exige un tipo concreto de estufa u horno para proporcionar la combustión óptima. El término a combustible» significa una sustancia que durante la reacción química con el oxigeno produce una reacción calorífica o exotérmica. La mayor parte del oxigeno presente en la reacción procede del aire, cuyo volumen consiste en un 21% de oxigeno y un 79% de nitrógeno. El combustible puede dividirse en dos partes principales: la parte propiamente combustible, que incluye las sustancias volátiles y sólidas; y la no combustible, que incluye las cenizas y la humedad.
Figura 5. Mecanismo útil para hacer haces grandes de leña.
Para obtener el aprovechamiento óptimo de los combustibles es necesario controlar la velocidad de combustión de una sustancia combustible a otra. Esto se logra mediante la introducción controlada de aire en la cámara de combustión. El factor más determinante para una buena combustión es el consumo completo del combustible utilizado. Los desechos agrícolas tienen por lo general una mala combustión, pero ésta puede mejorarse por aglomeración, densificación o secado.
La humedad hace disminuir el valor calorífico del combustible, porque la evaporación del agua consume calor. Por ejemplo, la evaporación de 1 litro de agua consume 5,5 veces más calor que calentar esta agua a partir de la temperatura ambiente hasta la de ebullición. En el caso de la leña, las diferencias de valor calorífico entre la madera verde y la madera seca son considerables, según se expone en el Cuadro 2.
Leña. Las ramas, la paja, el heno y las hojas secas son con frecuencia los únicos combustibles de que dispone la población rural. La madera en rollo es a menudo demasiado cara o, simplemente, inexistente. Pero el material disponible arde tan rápidamente que es difícil mantener un fuego continuo para poder cocinar debidamente.
Teniendo en cuenta estas limitaciones, el método más fácil de mejorar la combustión consiste en comprimir el material en haces, es decir, mediante la aglomeración y densificación del volumen de biomasa. Esto reduce el acceso de aire y de este modo hace la combustión más lenta. Los haces bien apretados deberían contener una mezcla de ramaje, biomasa (celulosa) y, si es posible, un trozo de madera en el centro. Los haces pueden comprimirse mediante prensas simples (Figuras 3, 4a, 4b y 5). Hay que atarlos con una paja, una cuerda de fabricación casera o un alambre (Figura 2). Este último es mejor porque resiste al fuego. Antes de utilizarse, los haces tienen que haberse secado por un largo periodo en un lugar bien ventilado y protegido de las lluvias.
Los haces se pueden hacer a mano, pero para aumentar la presión y, en consecuencia, el valor calorífico, pueden utilizarse una serie de utensilios. Los que se muestran en las Figuras 1 a 5 pueden hacerse en casa, o ser fabricados por herreros del lugar.
Fabricación de briquetas. Ni la madera ni los desechos agrícolas, como serrín y cáscaras de café, pueden quemarse directamente en estufas domésticas. Tales materiales arden con dificultad, producen mucho humo y no son apropiados para cocinar. Lo mismo puede decirse del polvo de carbón vegetal.
Uno de los mejores métodos para aprovechar dichos residuos consiste en la aglomeración de pequeñas partículas en briquetas. Existen dos métodos principales para fabricar briquetas, con aglutinante o sin él. Es más conveniente sin aglutinante, pero para ello se requieren prensas complicadas y costosas, equipo de secado y mucha energía.
Figura 6. Prensa simple para la fabricación de briquetas.
Figura 7. Prensa metálica simple para la fabricación de briquetas. Se abre para extraer la briqueta.
La fabricación de briquetas con un aglutinante como alquitrán, brea o asfalto requiere procesos industriales de alta presión para producir briquetas a partir de antracita, coque pulverizado y, en menor medida, polvo de carbón. Tales procedimientos son también complejos y costosos, y aunque no son adecuados para las zonas rurales, podrían ser muy útiles para proyectos estatales centrales o locales, sobre todo en países con madera y residuos agrícolas abundantes.
Los métodos de fabricación de briquetas más apropiados para las poblaciones rurales son los que se basan en los desechos y materiales de construcción disponibles. La fabricación debería realizarse en prensas manuales hechas en el lugar. La briqueta hecha a mano se mantiene unida sobre todo gracias al material aglutinante. Según las disponibilidades locales, los combustibles orgánicos más apropiados para servir de aglutinantes son la resina, el alquitrán, el estiércol animal, el fango de alcantarillado y los desechos de pescado.
Si no se dispone de aglutinantes combustibles o si los desechos necesitan un material aglutinante más fuerte, como en el caso del polvo de carbón vegetal, es necesario utilizar aglutinantes no combustibles como el limo, la arcilla o el barro. Aunque el aglutinante no combustible disminuye el valor calorífico de la briqueta y aumenta el contenido de cenizas, proporciona un combustible que de otra manera no podría aprovecharse.
Prensas. Su diseño varía desde las prensas más simples hechas a mano en casa y tecnológicamente primitivas hasta los modelos automáticos más avanzados. Entre las ilustraciones se incluye una prensa simple a mano (Figura 6), que cualquier herrero rural puede fabricar. El brazo inferior de la prensa está sujeto a un tablero de madera. La presión oscila aproximadamente entre 50 y 100 kg por briqueta, o sea entre 5 y 15 kg/cm². Las briquetas producidas tienen forma esférica, evitando así que se fracturen por los bordes, que son el punto débil de las briquetas hechas en casa.
Los materiales utilizados son periódicos mojados o cualquier papel de desecho. La adición de ceniza de madera endurece las bolas y prolonga su combustión. Las briquetas se comprimen en bolas de unos 5 cm de diámetro, y el peso de una briqueta seca es de aproximadamente 30 g. El tamaño puede variar, pero las más grandes son más difíciles de comprimir. El costo de fabricación de una prensa supone tres a cuatro horas-hombre y 1 a 2 kg de hierro. Se puede reducir de forma considerable el tiempo de fabricación si se montan al mismo tiempo una serie de prensas y se organiza bien el trabajo.
En la Figura 7 se muestra una prensa metálica simple para la fabricación de briquetas. Ejerce una presión de 200 kg por briqueta, o sea de aproximadamente 3 kg/cm². La parte rectangular está sujeta a la base mediante una bisagra que le da movilidad y hace que sea más fácil sacar la briqueta. La prensa puede modificarse mediante una construcción más sólida y una palanca más larga. Hay que mantener la base sobre el nivel del suelo. Debajo del contenedor deberá haber una abertura con una tapa de metal. Una vez que se ha hecho la briqueta, se abre esta tapa y se saca la briqueta por medio de la palanca manual.
Otra prensa que se ha construido y ensayado consta de un contenedor cuadrado en el que se comprimen los desechos mediante un husillo análogo al de una prensa de uva. La presión alcanza hasta 2 toneladas por briqueta, o sea aproximadamente 40 kg/cm². Sin embargo, la tasa de producción es inferior a la de la prensa de palanca.
Se han obtenido buenos resultados adaptando estas prensas para la fabricación de ladrillos 0 bloques de tierra. Son muy conocidas actualmente en los países en desarrollo, con diferentes nombres como «Cinva-Ram», a «Terstaram» y «Combustaram» (Figura 8). Para producir briquetas es necesario introducir moldes de las formas requeridas (Figura 9).
En Europa, durante la primera guerra mundial, las prensas de husillo para la fabricación de briquetas funcionaban según el mismo principio de las máquinas de cortar carne. Producían una masa continua de briquetas que se cortaban en secciones. La prensa de husillo ejerce una presión mucho menor que la prensa de pistón, y tiene una aplicación limitada para los desechos que pueden transformarse fácilmente en briquetas resistentes al desmenuzamiento.
Las prensas industriales modernas para la madera y los desechos agrícolas ejercen una presión que varia entre 1000 y 1200 kg/cm². A estas presiones, la temperatura es muy elevada. La acción de la temperatura y la presión elevadas destruyen la elasticidad de la madera, haciendo posible fabricar las briquetas sin aglutinante.
Un ejemplo de prensa de pistón moderna lo constituye la fabricada por Fred Hausman Ltd., de Basilea, Suiza (Figura 10). Su capacidad varia entre 103 y 3 000 kg/h. Los materiales que se utilizan en dicha prensa son desechos de madera, bagazo, corteza de árbol, residuos de la aceituna, retales de cuero, cáscaras de nueces, papel de desecho, turba, cáscaras de arroz, semillas de girasol y otros materiales agrícolas de desecho. La prensa de briquetas es sólo uno de los elementos de producción, entre los que se incluyen una trituradora, un secador de suspensión, una prensa y una máquina empaquetadora. En la Figura 11 se muestra el diseño de una línea de producción para la fabricación de briquetas a partir de desechos de madera. Existe una instalación similar a ésta en la industria maderera polaca que utiliza la corteza de árbol como recurso. El equipo básico comprende una trituradora, un secador de suspensión y una prensa para briquetas.
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Cuadro 1. Temperatura de ignición de materiales sólidos |
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Material |
Temperatura de ignición |
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...°C... |
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Polvo de lignito |
150-170 |
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Polvo de antracita |
150-220 |
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Coque de lignito |
300-400 |
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Coque de antracita |
350-700 |
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Grafito |
700-850 |
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Carbón vegetal (blando) |
250-300 |
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Carbón vegetal (duro) |
300-450 |
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Turba |
200-450 |
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Papel |
300 |
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Serrín |
315-460 |
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Fuente: Mediciones realizadas por el autor. |
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Cuadro 2. Valor calorífico neto de la leña |
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Valor calorífico |
Peso específico de la madera seca |
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seca |
verde |
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......kcal/kg......kg/dm3 |
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Pino (Pinus) |
4 658 |
3 870 |
0,49 |
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Pino Weymouth (Pinus strobus) |
4876 |
4055 |
0,37 |
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Abedul (Betula) |
4 658 |
3 869 |
0,61 |
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Pitea (Picea) |
4622 |
3 589 |
0,43 |
|
Alerce (Larix) |
4597 |
3818 |
0,55 |
|
Abeto (Abies) |
4559 |
3785 |
0,41 |
|
Acacia (Robina) |
4 527 |
3 760 |
0,73 |
|
Haya (Fagus) |
4478 |
3 705 |
0,69 |
|
Tilo (Tilia) |
4474 |
3713 |
0,49 |
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Olmo (Ulmus) |
4419 |
3810 |
0,64 |
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Roble (Quercus) |
4329 |
3 742 |
0,65 |
|
Fresno (Fraxinus) |
4 329 |
3 593 |
0,68 |
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Aliso (Alnus) |
4 288 |
3 555 |
0,49 |
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Sicomoro (Acer pseudoplatanus) |
4245 |
3485 |
0,59 |
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Alamo negro (Populus nigra) |
4 205 |
3 518 |
0,41 |
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Fuente: T. Wojciechowski, Nauka o drewnie, PWRIL, Varsovia. 196t. |
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Cuadro 3. Materiales utilizados para la fabricación de briquetas |
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Desechos de papel |
En la fabricación de briquetas la primera operación común a todos los procesos es el corte y/o la trituración de los desechos combustibles. En la tecnología rural simple, donde los materiales que hay que preparar son ramas y paja, el mejor instrumento para cortarlos es el hacha de mano o el hacha de carpintero. Para la producción en gran escala se requieren diferentes instrumentos, como la máquina para cortar paja utilizada comúnmente por los agricultores europeos.
Figura 8. La prensa «Terstaram» o «Combustaram», modificada para la producción de briquetas.
La segunda operación consiste en el secado de los principales ingredientes combustibles. Cuando se aplica una tecnología simple, el secado debe realizarse sin utilizar combustible. Por lo tanto, la única opción real consiste en el secado natural en lugares bien ventilados protegidos de la lluvia. Este tipo de secado requiere mucho tiempo y en consecuencia los ingredientes básicos para la fabricación de briquetas deben prepararse con mucha anticipación.
En tercer lugar, se mezclan los varios tipos de desechos y materiales aglutinantes para obtener una consistencia y un valor calorífico óptimos. Si se dispone de lubricante para motores usado se puede añadir a los desechos, pero, aunque aumenta el valor calorífico de las briquetas, las hace desmenuzables. Por lo tanto, se debe añadir con mucha precaución. En algunos casos, para dar plasticidad al material, es necesario añadir un aglutinante húmedo o, tratándose del papel, mojarlo antes de someterlo a presión para obtener briquetas.
La cuarta operación consiste en comprimir las briquetas, y la quinta en secarlas al aire libre, bajo techado. Con arreglo a las condiciones del material aglutinante y del secado, se requerirán varios días y varios meses para obtener briquetas secas. El secado aumenta considerablemente el valor calorífico de las briquetas y, por lo tanto, ahorra combustible. Por consiguiente, las briquetas deberán producirse con bastante antelación al momento previsto para su uso.
La experiencia ha mostrado que la ejecución satisfactoria de nuevos proyectos técnicos depende de factores socioculturales, históricos y económicos, así como de los puramente técnicos. Muchos proyectos que representaban mejoras técnicas evidentes han fracasado porque no se han tenido en cuenta los factores no técnicos.
Cuando se comienza un nuevo proyecto, es indispensable realizar una labor preliminar de organización e investigación antes de proceder a la planificación técnica. El modo más eficaz de tener éxito consiste en evaluar la situación desde varios puntos de vista, es decir, los de las administraciones forestales, las asociaciones de mujeres, los contratistas y los técnicos. Hay que invitar a estos grupos a expresar sus puntos de vista acerca de la disponibilidad de los desechos de combustible, el ambiente social, las actitudes de la población local con respecto a la innovación y los factores económicos y otros elementos pertinentes.
Figura 9. Molde para briquetas.
Con arreglo a estas consultas deberían establecerse los objetivos de promoción de nuevos combustibles. No son necesarias encuestas largas y costosas. Hay que tener en cuenta, además, los aspectos ambientales, ya que la combustión de desechos de la biomasa en estufas elimina uno de los elementos importantes de la cadena ecológica. En condiciones normales, los desechos de la biomasa vuelven al suelo. Si se rompe este delicado equilibrio, pueden notarse sus consecuencias en la disminución de la productividad del suelo, y en condiciones extremas, en su desertificación.
A causa de la interdependencia existente entre el combustible y las estufas, se recomienda que se emprendan al mismo tiempo programas de mejoramiento de ambos elementos. Un programa combinado podría consistir en mejoras de los modelos de estufa y los tipos de combustibles existentes para adaptarlos a la manera local de preparar los alimentos.
Figura 10. Prensa moderna de pistón para la fabricación de briquetas.
Figura 11. Cadena de producción de briquetas a partir de leña de desecho.
1. Cinta transportadora. - 2. Trituradora. - 3. Ventilador. - 4. Extractor de polvo. - 5. Depósito para el material húmedo. - 6. Descarga del depósito. - 7. Horno para calentar las briquetas. - 8. Ventilador. - 9. Secador de suspensión. - 10. Aislamiento. - 11. Extractor de polvo. - 12. Prensa para la fabricación de briquetas. 13. Línea de enfriamiento. - 14. Material triturado húmedo. - 15. Aire caliente.
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Cuadro 4. Comparación de biocombustibles de muestra |
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Composición |
Valor calorífico bruto |
Humedad |
Cenizas |
Valor calorífico neto |
Observación |
|
kcal/kg |
Porcentaje |
Porcentaje |
kcal/kg |
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Madera seca de haya |
4554 |
8,0 |
0,3 |
4224 |
Tipo de madera que casi nunca se encuentra en las zonas rurales pobres |
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Madera verde de abedul |
3 308 |
42,9 |
0,25 |
2 889 |
Tipo de madera que se encuentra en las zonas rurales pobres de los países en desarrollo |
|
Bolas de papel de desecho(de periódicos mojados) |
4 143 |
6,9 |
2,9 |
8325 |
Hechas a mano arden mejor si se añade ceniza de madera |
|
Briquetas hechas de: |
4 626 |
2,4 |
32,2 |
4 408 |
Comparables a la antracita de calidad media; elevado contenido de cenizas probablemente debidas a la arena del suelo |
|
Briquetas hechas de: |
3 397 |
7,2 |
13,7 |
3 109 |
El menor porcentaje de polvo de carbón vegetal reduce la producción calorífica |
|
Briquetas hechas de: 50% de paja 50% de estiércol de vaca |
3 898 |
5,4 |
9,5 |
3 599 |
Se pueden producir en cualquier lugar, pero con ele vado contenido de estiércol; éste se puede utilizar mejor como fertilizante |
|
Briquetas hechas de: |
3561 |
9,2 |
14,0 |
3266 |
Necesita un secado esmerado a causa del serrín |
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Briquetas hechas de: polvo de carbón vegetal con arcilla de aglutinante |
1 064 |
|
73,0 |
975 |
El elevado contenido mineral disminuye el valor calorífico y produce mucha ceniza |
Además, se deben estudiar nuevos tipos de combustibles y sus valores caloríficos.
Hay que probar en laboratorio nuevos tipos de briquetas. Se trata del único modo de obtener y cotejar los datos técnicos de las varias opciones existentes en el lugar. El equipo de ensayo no es demasiado costoso, aproximadamente 5 000 dólares EE.UU., y puede con frecuencia encontrarse en los laboratorios de las universidades y escuelas técnicas. Es importante elaborar un procedimiento global del ensayo, sobre todo en lo tocante a la medición del valor calórico neto, la humedad y el contenido de cenizas. Hay que probar el combustible, tanto en el laboratorio como en la preparación cotidiana de los alimentos.
Podrían organizarse grupos de personas de diferente extracción para investigar, promover y utilizar posteriormente, con carácter experimental, los combustibles en sus viviendas. Hay que pedirles que realicen investigaciones ulteriores sobre la composición de la biomasa local disponible para la fabricación de briquetas y materiales aglutinantes.
En la mayoría de los países en desarrollo existen cantidades considerables de desechos de biomasa que podrían elaborarse mediante la compresión y la densificación. Por lo general se consiguen mejores resultados si se mezclan diversas clases de material con un aglutinante. El valor calorífico de. los desechos biocombustibles bien secados y comprimidos es similar al de la leña. Sin embargo, el uso sin control de los desechos de la biomasa podría tener consecuencias ecológicas negativas para el sueló, como la disminución de la fertilidad. Funcionarios competentes deberán evaluar atentamente qué cantidad y qué clase de biomasa puede utilizarse como combustible en las diversas regiones.
HAUSMANN, F. 1974. Briquetting wood waste by the Hausmann method. Modern sawmill techniques, t. 3. E. Miller Freeman Publications, Inc., San Francisco, California .
RUDHARDT, PAUL. 1919. Les combustibles suisses et leur utilisation . Son or S. A. Ginebra.
FAO. 1979. Problems and priorities in developing wood stove programmes. Intermediate Technology Development Group, diciembre de 1979.
