Yield of products of the thermal decomposition of the Eucalyptus saligna Smith wood, to different heights of the tree

L. M. García–Rojas¹; F. Márquez–Montesino^2*; L. Aguiar–Trujillo¹; J. Arauso–Pérez³; L. R. Carballo–Abreu², U. Orea Igarza²; R. Zanzi⁴

¹ Departamento de Mecánica, Universidad de Pinar del Río, Martí Núm. 270. Pinar del Río, C. P. 20100, Cuba.

² Departamento de Química, Universidad de Pinar del Río, Martí Núm. 270. Pinar del Río, C. P. 20100, Cuba. Teléfono: 779661 y 775452.

³ Departamento de Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente, Universidad de Zaragoza, España.

Recibido: 1 de julio, 2009
Aceptado: 10 de septiembre, 2009

RESUMEN

En este trabajo se exponen los resultados del estudio de la pirólisis de madera de (Eucalyptus saligna Smith). La madera del árbol estudiado corresponde al municipio de Pinar del Río, provincia de Pinar del Río, Cuba. Las necesidades de utilizar esta madera como fuente de energía en la región condujeron al inicio de la etapa de investigación a escala de laboratorio. Los árboles utilizados son entre 20 y 22 años de edad, tomándose discos de 20 a 25 cm; 55 y 85 % de la altura del fuste. A las muestras se les estudió su composición química, análisis previo y descomposición térmica en termobalanza. El comportamiento de los productos de la pirolisis se efectuó en un reactor de lecho fijo. Se determinó el valor calórico de la biomasa y sus carbones. Se estudió la influencia de la altura del fuste del árbol en los rendimientos de los productos de la pirolisis.

Se concluyó que existen diferencias significativas en cuanto a la composición química de la madera estudiada: celulosa, hemicelulosa y lignina lo cual justifica el ligero decrecimiento en el rendimiento del carbón en relación con la altura del árbol y la disminución del porcentaje de alquitranes. El mayor rendimiento de carbón así como de valor calórico, se logra en la parte más baja del árbol. La contribución a gases aumenta con la altura del árbol.

Palabras clave: pirolisis, eucaliptos, carbón, alquitranes.

In this work the qualitative and quantitative results of the thermal pyrolysis of Eucalyptus Saligna Smith is presented, to different heights of the commercial wooden log. The wood was collected from Pinar del Río, Cuba. The need to use this wood like energy source in the region led to the research at laboratory scale. The used trees were 20 and 22 years old, from which 20 cm disks were cut at 25; 55 and 85 % height of the log, milled to chips and air dried. The chemical composition was determined and was carried out the previous analysis of the samples, as well as the thermal decomposition in micro scale. The study of products from the pyrolysis (coal and tar), it was made in a reactor of fixed channel. The caloric value of the biomass and its charcoal was determined. The influence of the height of the log in the product yields from the pyrolysis was studied.

As significant differences was observed as for the chemical composition of the studied wood: cellulose, hemicelulose and lignine, being observed an apparent increase of the lignine percentage with the height of the tree. The previous analysis belongs together with the chemical composition of the studied biomass. A small decrease was observed in the yield of the coal and of the percentage of tars with the height of the tree, this belongs together with the variation of the chemical composition according to the height of the tree. The biggest yield of coal and caloric value was achieved at the lowest height of the tree. The contribution to gas goes increasing with the height.

Keywords: pyrolysis, eucalyptus, carbon, tars.

INTRODUCCIÓN

Los procesos térmicos a partir de biomasa son objeto de investigación de gran parte del mundo científico, pero sobre todo, del mundo desarrollado, que tratan de adquirir esta tecnología amenazada por la crisis energética actual y por los problemas de contaminación ambiental.

La provincia de Pinar del Río cuenta con bosques comerciales de pino y eucaliptos, la madera de pino es procesada en los aserríos para ser destinadas a la construcción, mientras los eucaliptos se pueden destinar, entre otros usos, a la energía.

La energía procedente de la biomasa ocupa, junto con la procedente de centrales mini–hidráulicas, eólica y la fotovoltaica, un lugar prioritario dentro de las energías procedentes de fuentes renovables.

La madera antes de ser transformada térmicamente sufre un proceso de cambio que comprende: trozado y secado para después ser combustionada, pirolizada o gasificada (Rodríguez et al., 1990; Van Belle y Schenkel, 1998).

La madera está compuesta de forma general por tres grupos de sustancias, las que conforman la pared celular, donde se encuentran las principales macromoléculas: celulosa, poliosas (hemicelulosas) y ligninas; que están presentes en todas las maderas. El otro grupo lo conforman las sustancias de baja masa molar conocidas también como sustancias extraíbles que se encuentran en menor cantidad, y las sustancias minerales. La proporción de estos componentes varía con la especie entre la madera de árboles de la misma especie y en diferentes partes del propio árbol.

El proceso de pirólisis consiste en la descomposición de la materia orgánica por la acción del calor y en ausencia de oxígeno. La descomposición térmica de estos materiales biomásicos se produce a través de una serie compleja de reacciones químicas, además de procesos de transferencia de masa y calor, lo que hace difícil predecir el transcurso de la pirolisis, puesto que influyen una serie de variables como son las condiciones de operación o el tipo de biomasa empleada.

En el intervalo de 250 a 350 °C tiene lugar la fase cuantitativamente más importante de la pirólisis de la madera, (Cordero et al., 1989; Zanci et al., 1996). Este intervalo puede ser a mayores valores de temperatura para madera si ésta es pretratada con iones metálicos (Qirong et al., 2008).

En este trabajo, dada la necesidad de utilizar en Cuba la madera de eucalipto como fuente de energía, con una fundamentación científica, se continuó su estudio con el objetivo de determinar la influencia de la altura del árbol en la composición química de la madera, así como en el rendimiento de productos de la pirolisis de la madera, a temperatura no isotérmica de 700 °C.

MATERIALES Y MÉTODOS

Selección de la materia prima

Para la realización de este estudio experimental, se seleccionó la materia prima, para ello se cortaron 10 árboles en plantación homogénea de la primera rotación para cada especie, en cada plantación se seleccionaron cinco parcelas de 500 m² y 2 árboles, con características morfológicas semejantes, comprendidos entre 20 y 22 años de edad, selección completamente aleatorizada, según Norma Estándar TAPPI T– 257–cm–85 de 1998. Del fuste comercial de cada árbol se tomaron discos de 20 a 25 cm; 55 y 85 %.

Los discos de madera, se redujeron a partículas empleando una sierra circular, la muestra homogeneizada de cada especie y altura se secó al aire y tamizó, se tomó la porción menor a 200 micras de diámetro. Se guardó en frascos con tapa para su conservación y posterior estudio.

Las partículas de tamaño entre 1 y 1.5 mm resultaron las más abundantes y se tomaron las de estas dimensiones para el estudio, lográndose a la vez la mayor homogeneidad en la selección del tamaño de la partícula, lo que garantizó una pirolisis homogénea de la materia prima. Este tamaño de partícula está en el rango de las utilizadas por otros autores para otros estudios de pirolisis, (Zanci et al., 1996; Márquez. et al., 2001; Acikgoz, C. et al., 2004; Onay, O y Mete Koçkar, 2004). Posteriormente se le hizo el análisis inmediato, efectuado según las normas ASTM (1998).

Composición química de la materia prima

Para el estudio de la composición química del material de partida se utilizaron las normas TAPPI T, 1998.

Las hemicelulosas totales se estimaron por diferencia entre 100 % y la suma del porcentaje de celulosa y el porcentaje de lignina en madera libre de extraíbles, según Bland, (1985).

Análisis termogravimétrico

Par el análisis termogravimétricos se utilizó una termobalanza acoplada a computadora para el registro de datos. Fue escogido un reactor discontinuo para la muestra y continuo para el gas inerte dinitrógeno.

Las distintas pruebas termogravimétricas se hicieron manteniendo constantes los siguientes parámetros:

• Temperatura de termoconversión: 800 °C

]]> • Velocidad de calentamiento: 10 °C/min

• Caudal de Nitrógeno: 800 ml N/min

• Duración del experimento: 90 min.

Análisis inmediato

Humedad (H)

Se utilizaron para este análisis las Normas CEFIC de 1986 y las Normas ASTM de 1998.

La humedad se calculó de acuerdo con la siguiente expresión:

donde:

]]> A : crisol más masa de la muestra original.

B : crisol más masa seca.

C : crisol vacío.

Volátiles (V)

La determinación de volátiles se llevó a cabo en una mufla a 900 °C de acuerdo con la norma ASTM de 1998.

Los cálculos se hicieron según la siguiente expresión:

El divisor (B–G) se multiplica por (100–Mc)

B : masa del crisol más la muestra original.

]]> F : masa del crisol más muestra después de tratada.

G : masa del crisol vacío.

Mc: humedad

Ceniza (C)

El crisol con la muestra seca y su tapa, se colocó en la mufla a 650 °C durante un tiempo no inferior a 16 h.

Los cálculos se hicieron por la siguiente expresión:

F: masa en g del crisol más las cenizas.

G :masa en g del crisol vacío.

B : masa en g. del crisol más la muestra.

Obtención de carbones

Posteriormente se obtuvieron carbones a la temperatura de 700 °C y dos horas de residencia sobre la base de los resultados derivados de los estudios en termobalanza.

Para el cálculo del Poder Calórico Inferior (PCI) de la biomasa estudiada y los carbones obtenidos, se utilizó una ecuación que se apoya en los valores de porcentaje de materia volátil y carbono fijo, a su vez es aplicable tanto al material original como a carbonizados, (Cordero et al., 2001).

PC= 0,3543 CF + 0,1755 V

donde:

pc: poder calórico de la muestra (kJ·g^–1)

CF: porcentaje de carbono fijo

V: porcentaje de materia volátil

Para los análisis estadísticos realizados en el estudio de la influencia de la composición química de la madera en su descomposición térmica, se utilizaron las pruebas no paramétricas de Kruskal–Wallis y la prueba SNK de comparación de medias. Para todos los análisis realizados se utilizó el paquete estadístico SPSS para Windows.

RESULTADOS

Composición química

En el Cuadro 1 se muestran los resultados del análisis de la composición química de la materia prima original.

Los resultados expresan los valores promedios de tres determinaciones para cada una de las variables.

Análisis Termogravimétrico

Análisis inmediato

La prueba Kolmogarov–Smirnov para obtener criterio de normalidad, realizadas a todas las determinaciones que intervinieron en el análisis previo de la madera, no se cumplieron a un nivel significativo del 95 % en las variables empleadas, por lo que fue necesario emplear la prueba no paramétrica de Kruskal–Wallis, donde se reflejan diferencia significativas en todas las variables (ceniza, volátiles, carbono fijo, valor calórico de la madera y valor calórico del carbón) (Anexo 1, 2, 3, 4, 5) y posteriormente se aplicó la prueba SNK de comparación de medias.

En el Cuadro 2 se muestran los contenidos porcentuales del análisis inmediato (sustancias volátiles, cenizas y carbono fijo) de la madera de la especie estudiada.

Rendimiento de los carbones

En el Cuadro 3, presentan los resultados acerca de los productos de la pirolisis de las muestras de Eucalipto Saligna hasta los 700 °C.

En el Cuadro 4 se muestran los valores calóricos y el análisis inmediato de los carbones obtenidos en la pirolisis, para las tres alturas del fuste comercial, determinada por la ecuación seleccionada.

Composición química

Los datos reflejados en el Cuadro 1 están en correspondencia con los obtenidos por Márquez et al., 2003, para la misma especie, en condiciones agrometeorológicas diferentes, de la provincia de Pinar del Río, así como por los reportados en la literatura consultada, (Hillis y Udompongsanon, 1990; Cartagena, 1994; Di Blasi et al., 1999; Zanci et al., 2002; Franco et al., 2003).

Se observan diferencias significativas de todos los componentes por separado a las tres alturas del fuste. Los porcentajes de lignina obtenidos aumentan con la altura, consecuencia de la diferencia en cuanto a la fortaleza de los complejos polisacáridos–polisacáridos entre las celulosas y las hemicelulosas presentes, así como con la menor o mayor complejidad en las estructuras de la celulosa referente al grado de polimerización y cristalinidad de la misma a diferentes alturas del árbol. En la parte más joven la lignina es más fácilmente removible, aislable, con ligeramente bajos contenidos de polisacáridos totales y celulosa, mientras en la parte más baja, la más vieja, al estar tan lignificadas, hace muy difícil la extracción o separación de la lignina, lo que quiere decir que esta sustancia no aumenta con la altura sino que se extrae con mayor facilidad, (Orea et al., 2000; Orea et al., 2004).

Análisis termogravimétrico

Del estudio termogravimetrico (TG) realizado se observó que en el intervalo de valores de temperatura de 200 a 500 °C, se produce la descomposición pirolítica de las muestras originales, base seca (b.s.), de la fase cuantitativamente más significativa del proceso, completándose la descomposición térmica de la hemicelulosa y en su mayor parte de la celulosa, resultados que se confirman con los obtenidos por Cordero, T. et al., l989; Raveendran, K.; Ganesh, A., 1996; Haiping, Y. et al., 2007.

La completa desvolatilización de la muestra original se produce a temperaturas superiores a 700 °C, resultados que se corroboran por los obtenidos por (Márquez, F. et al., 2001).

Análisis inmediato

Los valores porcentuales de volátiles, cenizas y carbono fijo reflejados en el Cuadro 2, están en el rango de los reportados en la literatura (Zanci et al., 1996; Zanci et al., 2002; Luo et al, 2004; Onay, O y Mete Koçkar, 2004).

Se observó diferencia significativa en los valores medios de volátiles al comparar la parte baja (25 %) y media (55 %), con la parte alta (85 %), no observándose diferencias significativas con la altura para el porcentaje de carbono fijo, lo que se corresponde con los valores de lignina reales acorde a la explicación dada anteriormente respecto a la composición de la lignina.

Rendimiento del carbón obtenido

En los datos del Cuadro 3, se observó un ligero decrecimiento en el rendimiento del carbón con la altura del árbol, lo cual está en correspondencia con el menor porcentaje de lignina en la parte más joven del fuste del árbol (altura de 85 %) y el porcentaje de carbono fijo, lo que demuestra la relación entre ellos; estos resultados están acordes a los reportados en la literatura, (Luo et al., 2004). Al ser considerado lento este proceso de pirolisis, es posible la despolarización y desvolatilización lenta de la biomasa. Como la descomposición de la celulosa es lenta y ocurre a temperaturas inferiores a 300 °C, pueden ocurrir a velocidades de calentamiento baja, incrementándose el rendimiento de carbones a los niveles obtenidos para las maderas (Zanci et al., 1996).

El carbono fijo está directamente relacionado con la masa de lignina por ser ésta la más resistente a la descomposición térmica y por tanto la que más aporta a carbón.

De igual forma se observa una disminución del porcentaje de alquitranes con la altura del árbol lo que se corresponde con el mayor porcentaje de celulosa y hemicelulosa en la parte más baja del bolo y su disminución con la altura. Al comparar estos resultados con otros reportados en la literatura a velocidad de calentamiento de 300 y 700 °C de temperatura (Onay, O. y Mete Koçkar, 2004), se observó que para la parte baja del fuste, a la temperatura de 700 °C, hay un comportamiento inverso en cuanto a rendimiento de carbón y gas; o sea, en esas condiciones experimentales, se obtiene mayor rendimiento de carbón que de gas no sólo por la composición química de la biomasa como ya ha sido explicado, sino que puede atribuirse también a las reacciones de desproporcionamiento, polimerización y condensación vía recombinación de volátiles, generalmente vía radicales y que dan lugar al sólido carbonoso (Beis et al., 2002; Onay, O.; Mete Koçkar, 2004).

No obstante, para la parte inferior del fuste del árbol se invierten los resultados con un comportamiento similar a los resultados de la literatura citada, habiendo mayor rendimiento en gas que en carbón lo cual se debe a la más fácil desvolatilización de la biomasa en la parte más joven del árbol, ya explicado, así como a la destrucción de los alquitranes que ocurre a elevadas temperaturas de pirolisis, disminuyendo su porcentaje e incrementándose el rendimiento de gases; similar análisis se reporta en la literatura, (González, J. F. et al, 2005).

De los resultados obtenidos de la carbonización a escala de laboratorio, se pueden predecir las posibilidades de utilización de estos carbones desde el punto de vista energético. Los valores que se reflejan en el Cuadro 4, están acorde a los reportados en la literatura para carbones de madera de eucalipto, (Márquez et al., 2001; Zanci et al., 2002; González et al., 2005; Peralta et al., 2005).

Existen diferencias significativas entre los valores calóricos de los carbones, entre la parte baja, media y alta. Se observa el menor valor para la parte alta del fuste del árbol lo que se relaciona con el menor porcentaje de carbono fijo.

CONCLUSIONES

El análisis previo se corresponde con la composición química de la biomasa estudiada. Hay diferencias significativas entre los valores medios de volátiles al comparar la parte baja (25 %) y media (55 %), con la parte alta (85 %). No se observan diferencias significativas entre los porcentajes de carbono fijo relacionados con la altura.

Un ligero decrecimiento en el rendimiento del carbón y del porcentaje de alquitranes, con la altura del árbol, es observado.

Existen diferencias significativas entre los valores calóricos de los carbones, entre la parte baja, media y alta, observándose el menor valor para la parte alta del fuste del árbol.

AGRADECIMIENTOS

Los autores quieren agradecer al Proyecto ALFA ALE–Thermochemical Conversion of Biomass into energy and fuels por el financiamiento para poder desarrollar la parte experimental de este trabajo, así como al Centro Politécnico de la Universidad de Barcelona que nos permitió desarrollar parte de los experimentos. Asimismo extendemos este agradecimiento al Departamento de Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente, Universidad de Zaragoza, por su apoyo financiero y experimental.

LITERATURA CITADA

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