Contenido de humedad y sustancias inorgánicas en subproductos maderables de pino para su uso en pélets y briquetas

 

Moisture and inorganic substance content in pine timber products for use in pellets and briquettes

 

Fermín Correa-Méndez¹; Artemio Carrillo-Parra²*; José G. Rutiaga-Quiñones³; Francisco Márquez-Montesino⁴; Humberto González-Rodríguez²; Enrique Jurado-Ybarra²; Fortunato Garza-Ocañas².

 

¹ Desarrollo Sustentable, Tecnologías Alternativas, Universidad Intercultural Indígena de Michoacán. Carretera San Juan Tumbio-Cherán, km 16.2, C. P. 60291. Pátzcuaro, Michoacán, México.

² Facultad de Ciencias Forestales, Universidad Autónoma de Nuevo León. Carretera Nacional núm. 85, km 145. C. P. 67700. Linares, Nuevo León, México. Correo-e: artemio.carrillopr@uanl.edu.mx Tel.: 52 (821) 212 48 95 ext. 145 / Fax: (821) 212 64 15 (*Autor para correspondencia).

³ Facultad de Ingeniería en Tecnología de la Madera, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Fco. J. Múgica s/n, Edificio "D" planta alta, Ciudad Universitaria. C. P. 58060. Morelia, Michoacán, México.

⁴ Centro de Estudios de Energía y Tecnologías Sostenibles, Universidad de Pinar del Río. Martí núm. 270. C. P. 20100. Pinar del Río, Cuba.

 

Recibido: 18 de abril, 2013
Aceptado: 27 de enero, 2014

 

Resumen

La industria forestal de la cabecera municipal Nuevo San Juan Parangaricutiro y de la Comunidad Indígena de Nuevo San Juan Parangaricutiro, Michoacán, México, generan 1,232 m³·año^-1 de aserrín y viruta de pino que son subutilizados. El aserrín y la viruta de Pinus leiophylla Sch. Et Cham., P montezumae Lamb. y P. pseudostrobus Lindl se analizaron fisicoquímicamente para determinar si reunían los requisitos para la elaboración de pélets y briquetas. El contenido de humedad, ceniza y elementos inorgánicos de los subproductos se determinaron según estándares internacionales. El contenido de humedad en aserrín fue 51.5 ± 1.9 % y 53.7 ± 0.1 % en viruta; estos valores superaron el máximo permisible. El contenido de cenizas en el aserrín y en la viruta fue 0.26 ± 0.03 % y 0.34 ± 0.03 %, respectivamente. En las tres especies evaluadas, el porcentaje medio de Ca, K, Mg, P, S, Si, Fe, Al y Na en el aserrín fue 47.1 ± 2.8, 26.0 ± 2.5, 13.5 ± 0.4, 5.0 ± 0.4, 3.2 ± 0.4, 2.3 ± 0.8, 1.0 ± 0.1, 1.3 ± 0.4 y 1.4 ± 0.3, respectivamente, mientras que el porcentaje medio de Ca, K, Mg, P, S, Si, Fe, Al y Na en la viruta fue 43.2 ± 7.0, 16.5 ± 3.0, 10.1 ± 4.8, 4.0 ± 0.6, 1.8 ± 0.2, 3.6 ± 0.3, 1.0 ± 0.6, 1.1 ± 0.1, y 1.0 ± 0.6, respectivamente. El arsénico sólo se encontró en la viruta (17.1 ± 17.1 %). De acuerdo con los resultados, el aserrín es el subproducto más adecuado para la producción de pélets y briquetas.

Palabras clave: Aserrín, viruta, elementos inorgánicos, biocombustibles sólidos, bioenergía.

 

Abstract

The forest industry in the municipal seat of Nuevo San Juan Parangaricutiro and the Indigenous Community of Nuevo San Juan Parangaricutiro, located in Michoacan state, Mexico, generates 1,232 m³-year^-1 of underutilized pine sawdust and shavings. The sawdust and shavings of Pinus leiophylla Sch. Et Cham., P. montezumae Lamb. and P. pseudostrobus Lindl were subjected to physicochemical analyzes to determine if they meet the requirements for pellet and briquette production. The moisture, ash, and inorganic element contents in the byproducts were determined using international standards. Moisture content in ash was 51.5 ± 1.9 %, and 53.7 ± 0.1 % in shavings; these values exceeded the maximum allowable. Ash content in sawdust and shavings was 0.26 ± 0.03 % and 0.34 ± 0.03 %, respectively. For the three species evaluated, the average percentage of calcium, potassium, magnesium, phosphorus, sulfur, silicon, iron, aluminum and sodium in sawdust was 47.1 ± 2.8, 26.0 ± 2.5, 13.5 ± 0.4, 5.0 ± 0.4, 3.2 ± 0.4, 2.3 ± 0.8, 1.0 ± 0.1, 1.3 ± 0.4 and 1.4 ± 0.3, respectively, while the average percentage was 43.2 ± 7.0, 16.5 ± 3.0, 10.1 ± 4.8, 4.0 ± 0.6, 1.8 ± 0.2, 3.6 ± 0.3, 1.0 ± 0.6, 1.1 ± 0.1 and 1.0 ± 0.6 in shavings, respectively. Arsenic was only found in the shavings (17.1 ± 17.1). Based on the results, sawdust is the most suitable byproduct for pellet and briquette production.

Keywords: Sawdust, shavings, inorganic elements, solid biofuels, bioenergy.

 

INTRODUCCIÓN

Nuevo San Juan Parangaricutiro y la Comunidad Indígena de Nuevo San Juan Parangaricutiro (CINSJP), del municipio de Nuevo Parangaricutiro, Michoacán, México, cuentan con 33 talleres de secundarios registrados. Según estimaciones de los propietarios, los talleres generan alrededor de 1,232 m³·año^-1 de aserrín y viruta de pino. El taller de secundarios interno de la CINSJP genera alrededor de 375 m³·año^-1 de aserrín y el resto (514.2 m³·año^-1 de aserrín y 342.8 m³·año^-1 de viruta) se genera en los 32 talleres externos.

Los subproductos (aserrín y viruta) se utilizan localmente para producir composta, como fertilizantes en huertas de aguacate, y como fuente de energía en ladrilleras y en la caldera de la planta resinera. Sin embargo, la alta disponibilidad y el bajo precio de los subproductos incentiva la búsqueda de nuevas alternativas productivas. La producción de bioenergía es una opción económica y ecológicamente viable (García, Pizarro, Lavín, & Bueno, 2012); sin embargo, es necesario determinar si los subproductos cumplen con los estándares internacionales de calidad. Para ello, se requiere evaluar el contenido de humedad (CH) y algunas características físico-químicas como porcentaje de cenizas, y tipo y porcentaje de elementos inorgánicos (García et al., 2012; Vassilev, Baxter, Andersen, Vassileva, & Morgan, 2012).

El contenido alto de humedad (mayor de 25 %) de los subproductos provoca la reducción del poder calorífico neto, de la eficiencia en la combustión y de la temperatura generada (García et al., 2012; Obernberger & Thek, 2004, 2010). Por otra parte, con los contenidos elevados de cenizas (mayores de 0.7 %) se requiere limpieza constante de los equipos de combustión (Obernberger & Thek, 2010). Altos valores de elementos inorgánicos pueden generar que las partículas se dispersen y se adhieran en el interior de los intercambiadores de calor y plantas de generación de energía; a largo plazo, pueden obstruir el canal de gases de combustión e inducir la corrosión de los hornos, reactores, turbinas y dispositivos de control de emisiones (Liu & Bi, 2011; Werkelin, Lindberg, Bostróm, Skrifvars, & Hupa, 2011).

Conocer las propiedades de los subproductos forestales, señaladas anteriormente, y las concentraciones de los elementos que conforman la ceniza es de vital importancia para la generación de energía (Werkelin, Skrifvars, Zevenhoven, Holmbom, & Hupa, 2010). En consecuencia, los objetivos de este estudio fueron determinar el CH inicial y el porcentaje de cenizas del aserrín y la viruta de Pinus leiophyUa Sch. Et Cham., P. montezumae Lamb. y P. pseudostrobus Lindl, así como hacer un microanálisis de las cenizas de dichos subproductos para su posible uso en pélets y briquetas.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Origen de los subproductos

La calidad del aserrín y la viruta de Pinus leiophylla, P montezumae y P. pseudostrobus se analizaron por ser las especies con mayor volumen aprovechado. El aserrín y la viruta se obtuvieron después de identificar cada troza según la especie. El aserrín se generó con una sierra cinta de 2 in de ancho y 6.27 m de longitud con volante de 1 m de diámetro y motor de 15 hp; y la viruta, a partir de una máquina ranuradora con motor SIEMENS de 10 hp. El muestreo se hizo hasta que se colectó, aproximadamente, 0.02 m³ de cada subproducto durante un turno de ocho h. La maquinaria utilizada se encuentra en los talleres de secundarios en Nuevo Parangaricutiro, Michoacán, México.

Contenido de humedad, cenizas y elementos inorgánicos en aserrín y viruta de P. leiophylla, P. montezumae y P. pseudostrobus

El CH inicial (%) se determinó con base en la norma UNE-EN 14774-3 (2010) y el porcentaje de cenizas, de acuerdo con la norma UNE-EN 14775 (2010). Los elementos constitutivos de las cenizas se identificaron y cuantificaron bajo el procedimiento establecido por Bahng, Mukarakate, Robichaud, y Nimlos (2009) y Téllez, Ochoa, Sanjuan, y Rutiaga (2010). Para ello, se utilizó un espectrómetro de dispersión de rayos X (Bruker AXS, Alemania) acoplado a un microscopio electrónico de barrido (JEOL JSM-6400, Japón); las condiciones de análisis fueron 15 kV y 30 s.

Análisis estadístico

Se aplicó la prueba de normalidad en los datos de CH, contenido de cenizas y elementos inorgánicos. Los datos de Mg, P, Fe y Na se transformaron con X² y los datos de Al con /x+1. La normalidad se verificó con la prueba de Shapiro-Wilk (1965) utilizando el programa PASW Statistics 18 (SPSS, 2009). El CH, cenizas y elementos inorgánicos (Ca, K, Mg, P, S, Si y Na) se analizaron mediante un modelo lineal general univariado de dos factores: el factor "especie" con tres niveles (P. leiophylla, P. montezumae y P. pseudostrobus) y factor "subproducto" con dos niveles (aserrín y viruta). El Fe se analizó con el factor "especie" con dos niveles (P. leiophylla y P. pseudostrobus) y el factor "subproducto" con dos niveles (aserrín y viruta); el elemento Al con un factor de la relación "especie-subproducto". El As se analizó sólo con el factor "especie". Se utilizaron pruebas de Tukey para realizar comparaciones múltiples de las medias. Los análisis estadísticos se hicieron con un nivel de confiabilidad de 95 % y se procesaron con el programa Minitab (Minitab Inc. 2010).

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Contenido de humedad

El CH en el aserrín y en la viruta fue de 51.5 ± 1.9 % y 53.7 ± 0.1 %, respectivamente (Figura 1a). Estos resultados están dentro del rango (10 a 60 %) reportado para biomasa por Vassilev, Baxter, Andersen, y Vassileva (2010). El análisis no mostró diferencias estadísticas significativas en el CH entre las especies (F = 2.51, gl_e = 2,17 P = 0.111) ni entre los subproductos (F = 2.10, gl_e = 1,17, P = 0.165), de igual manera no hubo interacción entre los factores especie y subproductos (F = 2.06, gl_e = 2,17, P = 0.158). En el Cuadro 1 se comparan los valores encontrados de CH en los subproductos y los máximos permitidos para su aplicación en pélets y briquetas. Acorde con los resultados, los CH fueron mayores a los permitidos requiriendo aplicar energía para el secado de los subproductos.

Contenido de ceniza

El contenido de cenizas en el aserrín y en la viruta fue 0.26 ± 0.03 % y 0.34 ± 0.03 %, respectivamente. Los valores de cenizas de cada especie y los permitidos por los estándares para pélets y briquetas se muestran en el Cuadro 1. Los porcentajes de ceniza son inferiores a los permitidos, por tanto, el aserrín y la viruta de las tres coniferas son adecuados para producir pélets y briquetas. Los resultados concuerdan con valores de 0.1 a 1.0 % en algunas coniferas, reportados por Fengel y Wegener (1984). El análisis no mostró diferencias estadísticas significativas en el contenido de ceniza entre las especies (F = 1.01, g_e = 2,12, P = 0.392), lo opuesto ocurrió entre el aserrín y viruta (F = 8.81, gl_e= 1,12, P = 0.012) (Figura 1b). Este resultado puede estar relacionado con el aumento de elementos inorgánicos que suelen adherirse durante el manejo de trozas y procesamiento (Obernberger & Thek, 2010), utilizando sierras y cuchillas (Van Lith, Alonso, Jensen, Frandsen, & Glarborg, 2006). La interacción entre especies y subproductos no fue significativa (F = 0.86, gl_e = 2,12, P = 0.448). El porcentaje de ceniza en los subproductos de las tres especies es menor al contenido de ceniza (0.4 a 0.8 %) en maderas suaves, reportado por Obernberger y Thek (2010).

Elementos inorgánicos en cenizas

Calcio

Las cenizas de aserrín y viruta tuvieron 47.2 ± 2.9 % y 43.3 ± 7.0 % de Ca, respectivamente. Revilla (2011) reportó valores cercanos (44.2 a 59.1 %) en madera de las especies P. cembroides, P. johannis, P. maximartinezii y P. pinceana. El contenido de Ca y el de otros elementos identificados en los subproductos se muestran en el Cuadro 2. El análisis no mostró diferencias estadísticas significativas en el contenido de Ca del aserrín y viruta entre las especies (F = 1.79, gl_e = 2,12 P = 0.208) ni entre los subproductos (F = 1.04, gl_e = 1,12, P = 0.327) (Figura 2). La interacción entre especies y subproductos no fue significativa (F = 0.51, gl_e = 2,12, P = 0.614). En el Cuadro 2 también se presenta el valor permitido y se indica el efecto que los subproductos pueden ocasionar en la generación de energía en forma de pélets y briquetas.

Potasio

El contenido de K en las cenizas del aserrín y viruta fue 26.0 ± 2.5 % y 16.5 ± 3.0 %, respectivamente. Revilla (2011) reportó valores similares (19.3 a 36.2 %) en las maderas de P. cembroides, P. johannis, P. maximartinezii y P. pinceana. El análisis no mostró diferencias estadísticas significativas en el contenido de K entre las especies (F = 1.05, gl_e = 2,12 P = 0.380), pero sí hubo diferencias estadísticas entre los subproductos (F = 11.43, gl_e= 1,12, P = 0.005) (Figura 2), lo cual puede ser a causa del aumento en otros elementos como Si, Fe, Al, entre otros, y por los contaminantes (diesel, desgaste en sierras o cuchillas) de las máquinas al procesar la madera. No hubo interacción entre especies y subproductos (F = 0.34, gl_e= 2,12, P = 0.717).

Magnesio

El contenido de Mg en las cenizas del aserrín y la viruta fue 13.5 ± 0.4 % y 10.3 ± 4.8 %, respectivamente. Valores similares (12.9 a 19.2 %) se encontraron en las maderas de P. cembroides, P. johannis, P. maximartinezii y P. pinceana (Revilla, 2011). El análisis no mostró diferencias estadísticas significativas en el contenido de Mg entre las especies (F= 1.82, gl_e = 2,12 P = 0.203) ni entre los subproductos (F = 1.82, gl_e= 1,12, P = 0.202) (Figura 2). La interacción entre especies y subproductos (F = 0.80, gl_e = 2,12, P = 0.473) no fue significativa.

Fósforo

El contenido de P en las cenizas del aserrín fue 4.9 ± 0.3 % y en la viruta fue 4.0 ± 0.6 %. Revilla (2011) reportó valores aproximados (1.0 a 4.3 %) en la madera de las especies P. cembroides, P. johannis, P. maximartinezii y P. pinceana. El análisis mostró diferencias estadísticas significativas en el contenido de P en el aserrín y viruta entre las especies (F = 4.83, gl_e = 2,12, P = 0.029). Este resultado es similar al reportado por Lambert (1981), quien indica que la variabilidad entre las especies es muy alta, además de que existe dependencia de los sitios con estatus nutricionales ampliamente diferentes. También se encontraron diferencias entre los subproductos (F = 5.65, gl_e = 1,12, P = 0.035) (Figura 2), pero no hubo interacción entre especies y subproductos (F = 2.76, gl_e = 2,12, P = 0.103).

Azufre

Las cenizas del aserrín y la viruta tuvieron contenidos de 3.2 ± 0.4 % y 1.8 ± 0.2 % de S, respectivamente. Téllez et al. (2010) reportaron un valor intermedio de 2.64 % de S en el duramen de Andira inermis, respecto a los valores medios aquí encontrados. El contenido de S entre las especies no fue estadísticamente diferente (F = 0.30, gl_e = 2,12, P = 0.743), mientras que el contenido de S en el aserrín y la viruta si lo fue (F = 15.56, gl_e = 1,12, P = 0.002) (Figura 2). El proceso de obtención de estos subproductos pudo ser la causa de dicho efecto. No hubo interacción entre especies y subproductos (F= 1.71, gl_e= 2,12, P = 0.223).

Silicio

El contenido de Si en las cenizas de aserrín fue 2.3 ± 0.8 % y en la viruta fue 3.6 ± 0.3 %. Estos valores medios se ubican en el rango (0.5 a 4.7 %) reportado por Revilla (2011) en P. cembroides, P. johannis, P. maximartinezii y P. pinceana. El análisis no mostró diferencias estadísticas significativas en el contenido de Si entre las especies (F = 2.19, gl_e = 2,12, P = 0.154) ni entre los subproductos (F = 3.08, gl_e = 1,12, P = 0.105) (Figura 2). De igual manera que en los elementos anteriores, no hubo interacción entre especies y subproductos (F = 2.15, gl_e= 2,12, P = 0.160).

Fierro

El contenido de Fe en las cenizas del aserrín y la viruta fue 1.5 ± 0.2 % y 1.6 ± 0.6 %, respectivamente. Werkelin et al. (2011) reportaron un valor aproximado de 0.32 % en madera de Picea abies (L.) H. Karst. Los contenidos de Fe del aserrín y viruta, entre las especies (F = 2.55, gl_e = 1,6, P = 0.162) y entre los subproductos (F = 1.17, gl_e = 1,6, P = 0.320), no fueron estadísticamente diferentes (Figura 2). La interacción entre especies y subproductos (F=4.55,gl_e =1,6, P = 0.077) no fue significativa.

Aluminio

El contenido de Al en las cenizas del aserrín y la viruta fue 1.2 ± 0.4 % y 1.7 ± 0.1 %, respectivamente. Re villa (2011) analizó la madera de P. cembroides, P. johannis, P. maximartinezii y P. pinceana y reportó valores cercanos (0.3 a 0.9 %). No hubo diferencias estadísticas significativas en los contenidos de Al del aserrín y viruta entre las especies (F = 0.65, gl_e = 2,13, P = 0.540) ni entre los subproductos (F = 0.62, gl_e = 1,14, P = 0.444) (Figura 2). La interacción entre especies y subproductos (F = 1.12, gl_e = 4,11, P = 0.398) no fue significativa.

Sodio

Las cenizas del aserrín y viruta tuvieron 1.4 ±0.3 % y 1.0 ± 0.6 % de Na, respectivamente. Estos valores medios se aproximan al límite inferior del rango (2.0 a 4.4 %) reportado por Revilla (2011), al analizar madera de P. cembroides, P. johannis, P. maximartinezii y P. pinceana. El análisis no mostró diferencias estadísticas significativas en el contenido de Na entre las especies (F = 0.46, gl_e = 2,8, P = 0.648) ni entre los subproductos (F = 0.39, gl_e= 1,8, P = 0.549) (Figura 2). Tampoco hubo interacción entre especies y subproductos (F = 0.46, gl_e = 2,8, P = 0.645).

Arsénico

Las cenizas de la viruta tuvieron, en promedio, 17.1 ± 17.1 % de As, mientras que en el aserrín no se encontró dicho elemento. El As (elemento tóxico) es un elemento natural distribuido ampliamente en la corteza terrestre. El As se encuentra en el suelo y en los minerales; puede ser arrastrado por el aire y llegar al agua en efluente de lluvia, y a los suelos desde otros sectores como el polvo de la madera (aserrín); también puede liberarse cuando se quema madera tratada con As combinado con Cu y Cr (compuesto inorgánico). En forma orgánica, el As se usa en plaguicidas para huertos frutales (Agencia para Sustancias Tóxicas y el Registro de Enfermedades [ATSDR], 2007; Granifo, 2009). En este aspecto, existen plantaciones de aguacate distribuidas ampliamente alrededor de las industrias maderables donde se obtuvo la viruta. También pueden encontrarse, de forma natural, altas cantidades de As en las rocas (ATSDR, 2007), las cuales, independientemente de su contenido, son abundantes debido a la erupción del volcán "Paricutín" en 1943 (De la Torre, 2012), ubicado aproximadamente a 8 km del complejo industrial maderable y de los talleres. Todo lo anterior pudo influir en el contenido de As en el aserrín y la viruta. Resultados similares se han obtenido al monitorear los contenidos de Pb y Zn en la corteza de Pinus massoniana Lamb. en diferentes regiones de China, demostrando la influencia de una fundidora de estos metales como fuente de contaminación (Kuang, Zhou, Wen, & Liu, 2007). Los contenidos de As entre las especies no fueron estadísticamente diferentes (F = 0.19, gl_e= 2,5, P = 0.837).

 

CONCLUSIONES

El aserrín de las especies de Pinus, generado durante el proceso de asierre de la madera en talleres de secundarios, puede utilizarse en la producción de pélets y briquetas. El bajo contenido de ceniza en el aserrín, así como los altos contenidos de Ca y Mg favorecen el punto de fusión de la misma. No obstante, el contenido de S excede el parámetro de los estándares, así como en el contenido de humedad, lo cual implica aplicar energía para el acondicionamiento del subproducto. Por otra parte, la calidad de la viruta de P. leiophylla, P. montezumae y P. pseudostrobus también es adecuada para la elaboración de pélets y briquetas por tener propiedades similares a las del aserrín, con la diferencia de que la viruta genera mayor cantidad de ceniza con mayor contenido de Si y menor contenido de K y S; sin embargo, la viruta presenta contenidos de As no permitidos por los estándares. Por tanto, el aserrín es el subproducto con las mejores propiedades para su uso en pélets y briquetas.

 

AGRADECIMIENTOS

Se agradece el apoyo otorgado por el personal de "Tarimas López", a las autoridades y empleados de la Comunidad Indígena de Nuevo San Juan Parangaricutiro, al Instituto de Investigaciones Metalúrgicas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, a la Universidad Autónoma de Nuevo León y al CONACYT por el proyecto núm. 166444.

 

REFERENCIAS

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