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Capítulo 4

PROCESOS DE CARBONIZACION

 

4.1 Cómo la madera se transforma en carbón vegetal

La fase de la carbonización puede ser decisiva en la fabricación de carbón vegetal, si bien no se trata de la más costosa. A menos que se complete lo más eficientemente posible, puede crear un riesgo para la operación global de la producción de carbón, puesto que los bajos rendimientos en la carbonízación repercuten a lo largo de toda la cadena de producción, en la forma de mayores costos y desperdicios de los recursos.

La madera consiste de tres componentes principales: celulosa, lignina y agua. La celulosa, la lignina y algunas otras materias están fuertemente ligadas entre sí y constituyen el material denominado madera. El agua es absorbida o retenida como Moléculas de agua en la estructura celulosa/lignina. La madera secada al aire o "estacionada" contiene todavía 12-18% de agua absorbida. La madera en crecimiento, recientemente cortada o "no estacionada", contiene además agua líquida, llevando el contenido total de agua a alrededor del 40-100%, expresado en porcentaje del peso de la madera seca al horno.

Antes de que la carbonización ocurra, el agua en la madera tiene que ser totalmente eliminada como vapor. Se necesita una gran cantidad de energía para evaporar el agua, por lo que, si se usa lo más posible al sol para el presecado de la madera antes de la carbonización, se mejora mucho la eficiencia. El agua que queda en la madera que tiene que ser carbonizada, deberá ser evaporada o en la fosa o en el horno, y esta energía deberá proporcionarse quemando parte de la misma madera, que podría ser en vez transformada en carbón vegetal aprovechable.

El primer paso, en la carbonización en el horno, es secar la madera a 100° C, o menos, hasta un contenido cero de humedad se aumenta luego la temperatura de la madera secada al horno a alrededor de 280°C. La energía para estas etapas viene de la combustión parcial de parte de la madera cargada en el horno o en la fosa, y es una reacción que absorbe energía o endotérmica.

Cuando la madera está seca y calentada a alrededor de 280°C, comienza espontáneamente a fraccionarse, produciendo carbón más vapor de agua, mañanas, ácido acético y compuestos químicos más complejos, fundamentalmente en la forma de alquitranes y gases no condensables, que consisten principalmente en hidrógeno, monóxido y bióxido de carbono. Se deja entrar aire en el horno o fosa de carbonización para que parte de la madera se queme, y el nitrógeno de este aire estará también presente en el gas. El oxígeno del aire será gastado en la quema de parte de la madera, arriba de la temperatura de 280°C. libera energía, por lo que se dice que esta reacción es exotérmica.

Este proceso de fraccionamiento espontáneo o carbonización, continúa hasta que queda sólo el residuo carbonizado llamado carbón vegetal. A menos que se proporcione más calor externo, el proceso se detiene y la temperatura alcanza un máximo de aproximadamente 400°C. Sin embargo, este carbón contiene todavía apreciables cantidades de residuos alquitranosos, junto con las cenizas de la madera original. El contenido de cenizas en el carbón es de alrededor del 30% en peso, y el balance es carbono fijo, alrededor del 67-70%. Un ulterior calentamiento aumenta el contenido de carbono fijo, eliminando y descomponiendo aún más los alquitranes. Una temperatura de 500°C da un contenido típico de carbono fijo de alrededor del 85% y un contenido de materia volátil de cerca del 10%. A esta temperatura, el rendimiento del carbón es de aproximadamente el 33% del peso de la madera secada al horno carbonizada, sin contar la madera que ha sido quemada para carbonizar la remanente. Por lo tanto, el rendimiento teórico del carbón vegetal varía con la temperatura de carbonización, debido al cambio de contenido de material volátil alquitranado (24, 26, 31). En el Cuadro 4 se muestra el efecto de la temperatura final de carbonización sobre el rendimiento y composición del carbón vegetal.

Cuadro 4.Efecto de la temperatura de carbonizaci6n sobre rendimientos y composición del carbón vegetal
 
 
Temperatura de carbonización

°C

Análisis químico del carbón

 

Rendimiento de carbon sobre masa seca al horno

( 0% de humedad )

% carbono fijo
% material volátil
300
68
31
42
500
86
13
33
700
92
7
30

Bajas temperaturas de carbonizaci6n dan un mayor rendimiento en carbón vegetal, pero que es de baja calidad, que es corrosivo, por contener alquitranes ácidos, y que no quema con una llama limpia sin humo. Un buen carbón vegetal comercial debería contener carbono fijo en alrededor del 75% para lo cual se requiere una temperatura final de carbonizaci6n de alrededor de 500°C.

El rendimiento del carbón muestra también cierta variación con respecto al tipo de madera. Hay cierta evidencia de que el contenido de lignina en la madera tiene un efecto positivo sobre el rendimiento del carbón; un alto contenido de lignina da un elevado rendimiento de carbón vegetal. Una madera densa tiende también a dar un carbón denso y fuerte, la que es también deseable. Sin embargo, madera muy densa produce a veces carbón friable puesto que la madera tiende a desmenuzarse durante la carbonizaci6n. La friabilidad del carbón aumenta con el aumento de la temperatura de carbonizaci6n y el contenido de carbono fijo aumenta mientras que el contenido de substancias volátiles decrece. Una temperatura de 450 - 500°C ofrece un equilibrio óptimo entre friabilidad y el deseo de un elevado contenido de carbono fijo.

Las numerosas variables posibles en la carbonizaci6n rinden difícil especificar un procedimiento óptimo generalmente pueden obtenerse los mejores resultados usando latifoliadas sanas, de densidad media a elevada. La madera deberá ser lo más seca posible y por lo general bien hendida, para eliminar piezas mayores de 20 cm de grueso. La leña que debe ser quemada en los hornos o fosas, para secar e iniciar la carbonizaci6n de la remanente, puede ser de inferior calidad y de sección menor. Su única función es la de producir calor para secar y calentar la remanente a la temperatura de carbonizaci6n. Debería tratarse de alcanzar una temperatura final de alrededor de 500°C en el interior de toda la carga, lo que con las fosas se hace difícil, puesto que la circulación del aire y los efectos de enfriamiento son irregulares y se producen puntos fríos, obteniéndose tizones o madera no carbonizada. Por tratar de alcanzar una temperatura final general de 500°C en una fosa u horno, donde la circulación del aire es pobre o irregular, puede resultar que parte del carbón se quema en cenizas, dejando otras partes de la carga carbonizadas sólo parcialmente. De allí la importancia de usar hornos bien diseñados, hechos funcionar correctamente para una producción eficiente de carbón vegetal. En las referencias bibliográficas 6 y 7 se hallará más información sobre los aspectos técnicos de la carbonización.
 

4.2 Higiene industrial en la carbonización

La carbonización produce substancias que pueden ser dañinas y deben tomarse simples precauciones para reducir el peligro.

El gas producido por la carbonizaci6n tiene un elevado contenido de monóxido de carbono, que es venenoso cuando se lo respira. Por lo tanto, cuando se trabaja en la vecindad del horno o de la fosa durante su funcionamiento o cuando se abre el horno para su descarga, debe tenerse cuidado de asegurar una correcta ventilación para permitir que se disperse el monóxido de carbono, que también se produce durante la descarga por ignición expontánea del carbón vegetal caliente.

Los alquitranes y el humo  producidos por la carbonización, si bien no son directamente venenosos pueden tener efectos perjudiciales a largo plazo sobre el sistema respiratorio. Las zonas con viviendas deberían, en lo posible, estar ubicadas donde los vientos predominantes alejen de ellas el humo de la fabricación de carbón, y las baterías de hornos no deberán ser emplazadas muy cerca de las áreas habitadas.

Los alquitranes de la madera y el ácido piroleñoso pueden irritar la piel y debe tenerse cuidado de evitar su contacto prolongado con la piel proporcionando trajes protectivos y adoptando procedimientos de trabajo que reduzcan al mínimo la exposición.

Los alquitranes y los licores piroleñosos contaminan en forma grave los cursos de agua y afectar los depósitos de agua potable para el hombre y los animales; también los peces pueden ser afectados negativamente. Los efluentes líquidos y el agua, de descarga de las operaciones carboneras de media y gran escala deberán ser retenidas en grandes piletas de sedimentación, haciendo que se evaporen para que esta agua no pase al sistema local de drenaje y contaminen los arroyos.

Por suerte los hornos y las fosas, contrariamente a las retortas y a otros sistema sofisticados, normalmente no producen efluvios líquidos; los subproductos se dispersan en su mayor parte en el aire, como gases. En este caso son mucho más importantes las precauciones contra la contaminación del ambiente por el aire.
 

4.3 Incentivos y manejo del personal

El quemado del carbón vegetal es una operación de responsabilidad que requiere capacidad, paciencia, experiencia y prontitud en seguir métodos de trabajo correctos, en todo momento y estaciones. El rendimiento que se obtiene durante la etapa del quemado afecta la economía de toda la estación. Por lo tanto, se justifica pagar a la cuadrilla que quema el carbón un incentivo adicional al sueldo sobre la base de la calidad y cantidad de carbón vegetal que producen. Este esquema exige mediciones correctas de la madera que entra y del carbón que quita el sistema. las mediciones pueden ser por volumen o por peso pero, de todos modos, tiene que ser efectuada con seriedad si tiene que funcionar correctamente y satisfacer a todos.

La fabricación de carbón vegetal es a menudo una actividad estacional. La estación de lluvias puede interrumpir las operaciones, o la mano de obra puede, por tradición ser empleada en cierta épocas en prácticas agrícolas de cosecha o de plantación. Ello puede crear dificultades en atraer y retener la mano de obra bien entrenada y motivada, pero los buenos resultados dependen de equipos de trabajo estables y afirmados. Por lo tanto, es importante tratar de desarrollar un régimen estable de trabajo en la producción de carbón vegetal. Se observará que este hecho es una característica de toda operación carbonera exitosa en gran escala.

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