Capítulo 12

RECUPERACION DE SUBPRODUCTOS DE LA CARBONIZACION DE LATIFOLIADAS

La recuperación de productos químicos de los vapores liberados cuando se convertían las latifoliadas en carbón vegetal era, en una época, una industria floreciente. Sin embargo, apenas aparecieron en el escenario las substancias petroquImicas, la madera se volvió antieconómica como fuente de metanol, ácido acético, alquitranes especiales y preservadores. En todo lugar donde se fabrica carbón vegetal, se analiza la posibilidad de la recuperación de sus subproductos. El costo actual elevado del petroleo es considerado como uno de los argumentos en juego. Desafortunadamente, el precio de la madera aumenta en forma correspondiente y se pierde así la mayor parte de las ventajas de su precio. Si bien las perspectivas de la recuperación de subproductos químicos de la destilación de la madera no parecen ser prometedoras, hay la posibilidad de recuperar alquitranes y, usando el gas de la madera como combustible, se contribuye a que el proceso de la carbonización sea más efectivo. Los valores económicos, sin embargo, parecen ser bastante marginales pero, puesto que la recuperación de los subproductos reducen la contaminación atmosférica de la carbonización de la madera, los beneficios combinados hacen que se justifique analizar las posibilidades existentes en esta dirección.

Cuando se calienta la madera a más de 270°C comienza un proceso de descomposición llamado carbonizaci6n. En ausencia de aire, el producto final, puesto que el oxígeno no está presente para reaccionar con la madera, es el carbón vegetal. Si el aire, que contiene oxígeno, está presente, la madera se enciende y quema cuando alcanza la temperatura de 400°-500°C y el producto de la combustión es ceniza de madera.

Cuando se calienta la madera fuera del contacto del aire, en primer lugar la humedad viene extraída, y hasta que esta operación se complete, la temperatura de la madera se mantiene en alrededor de 100-110° C. Una vez que la madera se ha secado, su temperatura aumenta y comienza, a alrededor de 270° C, a descomponerse espontáneamente, y al mismo tiempo se libera calor, tratándose de la reacción bien conocida, endotérmica, que tiene lugar cuando se quema el carbón vegetal. Mi esta fase comienza la evolución de los subproductos de la carbonizaci6n de la madera. Estas substancias se liberan gradualmente 6 a medida que aumenta la temperatura, y la evolución se completa a alrededor de los 450° C. El residuo sólido, carbón vegetal, es fundamentalmente carbono (alrededor del 70%) con pequeñas cantidades de substancias alquitranosas, que pueden ser separadas o descompuestas completamente, sólo al aumentar la temperatura a más de aproximadamente los 600°C.

En la práctica de la quema habitual del carbón vegetal, usando el calor in-terno de la carga de madera, quemando parte de la misma, todos los subproductos vaporosos y gases escapan a la atmósfera en la forma de humo. Los subproductos pueden ser recuperados, pasando los gases liberados a través de una serie de condensadores de agua, obteniéndose el llamado ácido piroleñoso, y el gas de la madera no condensable supera los condensadores y de ser quemado, proporcionando calor. El gas de la madera puede ser usado sólo como combustible, y se compone típicamente de 17% de metano, 2% de hidrógeno, 23% de monóxido de carbono, 38% de bióxido de carbono, 2% de oxígeno y 18% de nitrógeno. El gas tiene un valor calorífico de alrededor de 10,8 MJoules por m3 (290 BTU/p3), o sea alrededor de un tercio del valor calorífico del gas natural.

12.1 Acido piroleñoso

Acido piroleñoso es el nombre del condensado en bruto, y se compone principalmente de agua. Es un líquido sumamente contaminante nocivo, corrosivo, que debe ser, ya sea tratado correctamente para obtener los subproductos para la venta, o eliminado, por quema con la ayuda de otros combustibles, como ser con madera o con gas de madera.

Los otros componentes, fuera del agua, son alquitranes de madera, tanto los solubles en agua como los insolubles, el ácido acético, el metanol, la acetona y o1ros complejos químicos en menores cantidades. Si se lo deja en reposo, el ácido piroleñoso se separa en dos capas consistentes en el alquitrán insoluble en el agua y la capa acuosa que contiene los otros productos químicos. La recuperación del alquitrán insoluble en el agua, a menudo llamado alquitrán de madera o de Estocolmo, es sencilla, por una simple decantación de la fase acuosa. Este alquitrán de madera tiene empleos como antiséptico veterinario, como preservador de la madera, como compuesto para calafateo, y como substituto de alquitrán para caminos. Por lo general para el uso en la construcción de caminos, las calidades al alcance, y su precio y propiedades físicas hacen que sea un pobre substituto del alquitrán derivado de la industria del petróleo y del carbón mineral. Tiene sin embargo mercados limitados, como producto químico industrial especial. Si no llega a venderse, puede ser quemado como combustible líquido. Una tonelada de madera seca, sin embargo, produce solamente alrededor de 40 kg de alquitrán, o sea un rendimiento de alrededor del 4%.

La capa acuosa contiene los alquitranes solubles en agua que son un complejo de productos químicos alquitranosos, ácido acético, metanol, acetona y metilacetona y pequeñas cantidades de ácidos más complejos y otras substancias.

12.1.1 El rendimiento de ácido piroleñoso

La economía de la recuperación de los subproductos depende del rendimiento de los componentes más valiosos, especialmente el ácido acético, pero también de la mezcla de metanol con acetona. El rendimiento varía mucho con la clase de madera destilada. Madera con un elevado contenido de pentosano, como el haya europea (Fagus spp) da un alto rendimiento de destilaciones de madera, citados por varios autores, varian mucho. No solamente la clase de madera, pero también el tipo de planta, de elaboración, su eficiencia de condensación, la eficiencia de la refinación de los subproductos y otros, todos ellos influyen sobre los rendimientos. Es por ello de suma importancia, antes de hacer inversiones para la recuperación de subproductos, tener una cierta seguridad sobre qué clase de rendimientos pueden esperarse. Por ejemplo, una planta en Europa puede ser económica si trabaja con hayas y vecina a buenos mercados para el ácido acético puro. Pero una planta que trabaja con eucalipto o con mezcla de latifoliadas tropicales, lejos de los mercados para sus productos, y que obtenga sólo la mitad del rendimiento de ácido, puede ser bastante antieconómica. Por lo tanto se necesitarán pruebas en escala real, para determinar qué rendimiento serán probables con la madera que realmente será carbonizada. Son esenciales los estudios de mercado y diseños cuidadosos de la planta. Como orientación, pueden tomarse como típicos los siguientes rendimientos de latifoliadas caducas del hemisferio norte:

Rendimiento de 1 ton (1.000 kg) de madera seca al aire

Acido acético	50 kg
Metanol	16 "
Acetona y metilacetona	8 "
Alquitranes solubles	190 "
Alquitranes insolubles	50 "

12.1.2 Refinación del ácido piroleñoso

Para recuperar subproductos comerciables, a partir del ácido piroleñoso, se necesita una destilería algo parecida a una pequeña refinería de petróleo, pero fabricada con acero inoxidable o cobre. Su costo en la actualidad puede ser del orden de $US 5 a 10 millones, pero es bastante difícil dar una cifra precisa, ya que tal refinería debe ser especialmente proyectada y fabricada, no siendo un elemento en stock.

El proceso global, por su plan-La y su tecnología, se parece bastante a una refinería de petroleo, pero en escala muy pequeña. Sin embargo, contrariamente a una refinería de petroleo, que se alimenta con una materia prima que es teóricamente vendible al 100%, la refinería del ácido piroleñoso implica el descarte de alrededor del 90-95% del material de alimentación, bajo la forma de agua contaminada invendible. El total del ácido piroleñoso, menos el alquitrán insoluble, tiene que ser evaporado para separar de los alquitranes solubles el metanol y el ácido acético. La evaporación del agua es costosa, y requiere un gran gasto de combustible. Además, los productos ácidos son muy corrosivos y la planta tiene que ser construida de cobre o preferentemente de acero inoxidable, lo que aumenta mucho su costo. Los productos se venden compitiendo con los de la gigantesca industria petroquímica y esta competencia es por lo tanto difícil. Por el lado positivo, se tiene que el ácido acético es de gran calidad y por lo general puede ser vendido con facilidad, pero la distancia a los mercados mayores limita su rentabilidad. Si bien puede resultar marginalmente rentable continuar el funcionamiento de las plantas existentes para la destilación de subproductos de la madera, parece ser dudosa la construcción de nuevas plantas para la recuperación de subproductos. El futuro posiblemente traerá un cierto aumento de la recuperación del alquitrán para la venta y el uso de gases y vapores de escape de las plantas de carbonización, para calentar retortas y calderas. Queda aun como problema, en gran parte no resuelto, sin embargo, el modo cómo puede hacérselo con eficiencia sin invertir en plantas muy caras.

El líquido condensado crudo se decanta para separar el alquitrán insoluble, que se vende por lo general sin ulterior elaboración. Debe entonces procesarse la fase acuosa para recuperar tres productos vendibles: metanol-acetona, ácido acético y alquitrán soluble, de los que el ácido acético es el de mayor valor. El licor se destila en un alambique primario, calentado con vapor, para separar el metanol-acetona y el ácido acético de los alquitranes solubles. Estos últimos quedan en el fondo del alambique y los vapores, que se componen principalmente de metanol-acetona, ácido acético y desperdicios, pasan a la columna de destilación, que separa metanol crudo al 85% con un cierto contenido de acetona, de la mezcla de ácido acético y agua. El metanol crudo puede venderse como solvente.

El ácido acético es en la actualidad el solvente extraído de la fase líquida, empleando un solvente, generalmente acetato de etilo o éter. Estos solventes no se mezclan con el agua y disuelven o arrancan el ácido acético de la fase agua, dejando en esta fase solamente trazas de ácido acético. Después de recuperar todo el acetato de etilo o éter disuelto en la fase agua, el resto va a desperdicios Puede aún contener alrededor de 0,1 % de ácido acético. La solución de ácido acético (alrededor del 3%) en acetato de etilo o éter, debe entonces procesarse para regenerar el solvente, que regresará al proceso, mientras el ácido acético pasa a la venta. El solvente se saca por destilación en una columna de fraccionamiento, donde el ácido acético crudo (70%), liberado de su solvente, sale de la base de la columna y se purifica por destilación fraccional, hasta mis concentración del 90% o más, según lo pida el mercado. El solvente se vuelve a reciclar para extraer más ácido acético de una nueva alimentación. Se produce una pequeña pérdida de solvente que se repone cuando resulte necesario.

12.2 Recuperación de alquitranes en pequeña escala

Es posible recuperar para la venta parte de los alquitranes producidos en la carbonización en pequeña escala, como están haciendo algunos de los productores de carbón vegetal en la actualidad.

Los alquitranes insolubles reciben este nombre porque se separan en una fase negra alquitranosa, distinta en el momento en que los vapores que se forman en la retorta o horno se condensan. La otra fase, en el condensado, consiste principalmente en descarte que contiene ácido acético, metanol, acetona y los llamados alquitranes solubles que son compuestos complejos tipo alquitrán, que se mezclan con el agua y no se separan como una fase definida. El alquitrán insoluble es el producto comercialmente conocido como alquitrán de Estocolmo o de madera. Se trata de alquitranes quimicamente complejos, que son antisépticos útiles y agentes de preservación. El alquitrán de Estocolmo tiene empleo en la medicina veterinaria, como producto para calafateo en la construcción de embarcaciones y como pintura o pasta preservadora de la madera. En la actualidad, en el mundo desarrollado, una cantidad de otras substancias reemplazan la brea de Estocolmo. Sin embargo, en el mundo en vía de desarrollo puede haber mercado para la brea de madera como pintura preservadora de la madera o como material para calafateo, y es también posible un cierto empleo como antiséptico. Si bien este alquitrán puede ser usado para cementar caminos, no es atractivo para este empleo, porque las cantidades disponibles son limitadas y esporádicas, y lucha contra los bajos precios y las enormes cantidades de brea caminera producida por la industria minera. El precio del alquitrán de madera, en el punto de producción del carbón vegetal, resultaría algo más caro que el alquitrán para caminos. El alquitrán puede ser quemado como combustible, pero por lo general, es más razonable emplear la madera donde fuera posible y no merece el esfuerzo el recolectar la brea para simplemente quemarla, siendo más valiosa para otros usos.

12.2.1 Recolección del alquitrán o brea

Normalmente el alquitrán puede condensarse donde sea que los vapores del horno pasan por conductos metálicos. El calor se dispersa al aire, a través de las paredes metálicas del conducto, y la brea se condensa en la superficie interna. El conducto debe ser inclinado o, con preferencia, vertical para permitir que el alquitrán cuele dentro del receptáculo, porque de otra manera la acumulación del mismo sobre las paredes del conducto, actúa como aislante y cesa prácticamente la condensación.

Una cierta cantidad de agua ácida puede condensarse al mismo tiempo, pero podrá ser fácilmente separada del alquitrán recogido.

No es factible condensar alquitranes de los conductos de ladrillos puesto que su conductividad es demasiado baja para permitir que la brea se condense en cantidades significativas.

Se requieren conductos de metal (acero) lo que requiere habilidad en el trabajo del metal y la disponibilidad de acero adapto. Los dos tipos de hornos mejor adaptados para la recolección de alquitrán son el tipo metálico transportable y el horno Casamance, o cualquier otro tipo equipado con chimeneas de acero. En todos los casos las chimeneas tienen que ser modificadas, para permitir que el alquitrán condensado se descargue dentro de algún tipo de recolector. Generalmente, no se modifican otros tipos de carboneras para recoger alquitrán, sea porque el humo no se descarga por un conducto, p. ej. en el sistema de pozas, o porque el costo y la molestia de la mortificación es demasiado grande como para justificar la recolección de la brea.

La cantidad de alquitrán que puede recogerse en la práctica no es muy grande, siendo de alrededor de 25-35 kg de alquitrán por cada tonelada de madera seca al aire. Es difícil establecer un valor, pero puede razonablemente suponerse el de $US 0,50 por kg.