Calidad del carbón de Prosopis laevigata (Humb. & Bonpl. ex Willd.) M.C. Johnst. y Ebenopsis ebano (Berland.) Barneby & J.W. Grimes elaborado en horno tipo fosa

Quality of charcoal from Prosopis laevigata (Humb. & Bonpl. ex Willd. M.C. Johnst. y Ebenopsis ebano (Berland.) Barneby & J.W. Grimes produced in an earth pit klin

Artemio Carrillo-Parra¹, Rahim Foroughbakhch-Pournavab² y Verónica Bustamante-García³

¹ Departamento de Tecnología de la Madera, Facultad de Ciencias Forestales. Universidad Autónoma de Nuevo León Correo-e: artemio.carrillopr@uanl.edu.mx

³ Posgrado de la Universidad Juárez del Estado de Durango.

Fecha de recepción: 1 de febrero de 2013.
Fecha de aceptación: 1 de abril 2013.

RESUMEN

La biomasa se utiliza para la generación de calor y la preparación de alimentos por aproximadamente dos mil millones de personas en el mundo. En el área metropolitana de Monterrey, Nuevo León el consumo de carbón vegetal con fines recreativos tiene una demanda de 5 500 t mes^-1. En México su comercialización se basa en conocimientos empíricos: especie, duración del encendido, producción de chispas y cenizas. Sin embargo, para su exportación se deben cumplir esquemas de calidad. Por lo anterior, en la presente investigación se comparó el rendimiento y calidad del carbón de Prosopis laevigata y Ebenopsis ebano producido en un horno tipo fosa. La calidad se determinó mediante el contenido de humedad, material volátil, cenizas, carbón fijo y poder calorífico, en función de estándares internacionales. Los datos se analizaron con un diseño experimental con arreglo factorial. Se obtuvieron diferencias altamente significativas (p<0.01) en el rendimiento entre las dos especies, lo mismo que para las cenizas y el poder calorífico (p<0.05). Se determinó un rendimiento de 2.8, 2.3 m³t-¹, contenido de humedad de 3.6, 3.5%; material volátil de 22.8, 24.9%; porcentaje de cenizas de 2.8, 3.2%; carbón fijo de 70.8, 68.6%, y poder calorífico de 30 241, 29 725 kJ kg-¹ para P. laevigata y E. ebano, respectivamente. El rendimiento en los dos casos fue alto, el contenido de humedad y cenizas se estimó dentro de los límites establecidos a nivel mundial. El material volátil y carbón fijo no cumplieron con los porcentajes permitidos en las normas vigentes del comercio exterior.

Palabras clave: Carbón fijo, carbón-vegetal, Ebenopsis ebano (Berland.) Barneby & J.W. Grimes, horno tipo fosa, poder calórico, Prosopis laevigata (Humb. & Bonpl. ex Willd.) M.C. Johnst.

Approximately two billion of people in the world use biomass to produce heat and prepare food. In the metropolitan area of Monterrey, Nuevo León, the demand of vegetable charcoal for recreational use is 5 500t month-1. The trade of charcoal is regulated by empirical knowledge in relation to species, burning time, and spark and ash production. However, certain quality standards must be met for export purposes. Therefore, this paper compares the yield and quality of charcoal from Prosopis laevigata and Ebenopsis ebano produced in an earth pit kiln. The quality was determined by moisture content, volatile material, ash, fixed carbon and calorific value, according to international standards. The data were analyzed with a factorial arrangement. The results showed highly significant differences (p<0.01) in yields, as well as in ash production and calorific value (p<0.05), between the two species. Yields of 2.8, 2.3 m3 t-1, moisture content of 3.6, 3.5%; volatile material of 22.8, 24.9%; ashes of 2.8, 3.2%; fixed carbon of 70.8, 68.6%, and calorific value of 30 241, 29 725 kJ kg-1 were estimated for P. laevigata and E. ebano, respectively. The yields for both species were high, and moisture and ash content were found to be within the international limits. On the other hand, fixed carbon and volatile material did not meet the values allowed by the international standards.

Key words: Charcoal, earth pit kiln, Ebenopsis ebano (Berland.) Barneby & J.W. Grimes, Prosopis laevigata (Humb. & Bonpl. ex Willd.) M.C. Johnst., quality, yield.

INTRODUCCIÓN

La leña y el carbón vegetal han sido fuente de energía para el ser humano desde tiempos inmemoriales. El uso de la leña inició hace más de 350 000 años, cuando el hombre encendía fogatas para preparar sus alimentos y protegerse del frío y de las bestias (Antal y Grønli, 2003).

En la actualidad, la leña y otros productos de la madera son ampliamente utilizados a nivel mundial, ya que se consideran una forma moderna y limpia para generar energía (Patiño y Smith, 2008). La biomasa en sus diferentes formas abastece de esta a más de dos mil millones de personas en el mundo (PNUMA, 2010). Según datos proporcionados por Wu et al. (2011) 50% de la población del planeta emplea biocombustibles para obtener calor, debido a las políticas ambientales que buscan reducir los contaminantes que produce el uso de combustibles fósiles.

Los combustibles que provienen de la biomasa son leña, pellets, briquetas, gas, etanol, madera torrefacta y carbón vegetal. La producción del carbón vegetal es un proceso termo-químico, denominado pirólisis, que consiste en la combustión de la biomasa disponible y restringida de oxígeno, lo cual impide que sea completa. La calidad del carbón es superior a la leña; presenta alta reactividad, baja resistencia mecánica, alto poder calorífico y bajo contenido de cenizas (Romahn, 1992). Además, está en función de la especie, sección del árbol, dimensiones de la leña, propiedades fisicoquímicas, tipo de horno, proceso de carbonización y de las condiciones ambientales durante su proceso de elaboración (Encinso, 2007).

En México, la calidad del carbón se determina a partir de conocimientos empíricos relacionados, principalmente, con el gusto del consumidor, quien la identifica de acuerdo a la presentación: a granel o empaquetado, con o sin marca (Arias et al., 2010). Otros autores, indican que el mejor producto es aquel cuyo tamaño es mayor a 5 cm, su color de tonos azules brillantes, conserva la brasa durante un tiempo prolongado, emite un sonido metálico cuando se fractura o se golpea, genera pocas chispas, y produce escasa ceniza (García, 2010; Camps et al., 2008).

La determinación de algunas propiedades del carbón vegetal permite establecer en qué medida la especie y los procedimientos de producción empleados favorecen el cumplimiento de lo requerido en los estándares internacionales. El método Análisis Inmediatos evalúa la calidad de la biomasa sólida en términos porcentuales de contenido de humedad, material volátil, cenizas y carbón fijo (Kretschmann et al., 2007; FAO, 1983). El mercado europeo, para utilizarlo con fines industriales exige un contenido de humedad inferior a 8%, material volátil menor a 9%, ceniza menor a 8% y carbón fijo superior a 75%.

La disponibilidad de información sobre el rendimiento, la calidad del carbón vegetal producido con especies de maderas nativas del noreste de México con base en normas internacionales es escasa. Por lo anterior, el objetivo del presente estudio fue determinar el rendimiento y la calidad del carbón vegetal elaborado con Prosopis laevigata (Humb. & Bonpl. ex Willd.) M.C. Johnst. (mezquite) y Ebenopsis ebano (Berland.) Barneby & J.W. Grimes (ébano) en un horno tipo fosa.

MATERIALES Y MÉTODOS

Recolecta del material y medición de variables

Se seleccionaron al azar cinco trozas con corteza de un metro de longitud obtenidas de la base de los árboles de Prosopis laevigata y Ebenopsis ebano en el predio "Las Palmas", municipio Villagrán, Tamaulipas. De cada troza se cortaron tres rodajas (muestras) de 10 cm de longitud y se marcaron como R1, R2 y R3. Posteriormente, se determinó el diámetro, peso verde y contenido de humedad (Cuadro 1).

Características del horno

El carbón se elaboró en un horno tipo fosa con dimensiones de 1.3 m de ancho x 1.8 m de alto x 3.6 m de largo, con una tapa metálica y dos orificios: uno para la entrada de aire y el otro para la salida de humo.

El horno se dividió en dos niveles a partir de los orificios de entrada de aire y salida de humo. En cada uno se colocaron cinco muestras por especie (R1 y R2), que se identificaron con clavos de diferente tipo y alambre galvanizado para referenciar y comparar la calidad por nivel del horno. Las rodajas R3 se pusieron en bolsas de plástico, para evitar la pérdida de humedad; durante su traslado al Laboratorio de Tecnología de la Madera, Facultad de Ciencias Forestales, de la Universidad Autónoma de Nuevo León, y se mantuvieron a 4 °C para después determinar la densidad básica y el contenido de humedad. El proceso de carbonización se realizó en tres ocasiones con una duración promedio de 152 h., se registró la temperatura máxima alcanzada en las quemas con un termómetro infrarrojo (Cuadro 1).

Rendimiento

El rendimiento (m3 t^-1), se determinó relacionando el volumen (m³) de cada muestra antes del proceso de carbonización, con su peso (t) una vez carbonizada (Cuadro 2).

Propiedades Fisicoquímicas

El material utilizado para los análisis al carbón vegetal, incluso los inmediatos, se tomó de la madera madura de la rodaja carbonizada, y se usó la norma internacional ASTM D 1762 – 84 (ASTM, 2001). El procedimiento consistió en determinar el contenido de humedad (%), material volátil (%), cenizas (%) y carbón fijo (%) (Cuadro 2).

Contenido de humedad. Se calculó a partir de 1.5 g del carbón molido y cribado a un tamaño de partícula de 425µm. La muestra se colocó en una estufa MAPASA HDO 334 por dos horas a 105 °C (Cuadro 2).

Material volátil. Se colocó la muestra de carbón libre de humedad en una mufla MARSA AR-340 a 950 °C. Para alcanzar la temperatura final de 950 °C el material pasó por tres etapas y posiciones en la mufla. En la primera se puso en la puerta de la mufla durante dos minutos; en la segunda se movió a la entrada de la mufla por tres minutos; y en la etapa tres se ubicó en el interior de la mufla con la puerta cerrada durante seis minutos. El porcentaje del material volátil se estimó por diferencia de peso entre la masa del carbón anhidro y la masa de la muestra después de exponerla a la temperatura de 950 °C (Cuadro 2).

Carbón fijo. Se estimó al restar el contenido de humedad, material volátil y cenizas a la masa del carbón molido y tamizado (Cuadro 2) (Márquez-Montesino et al., 2001).

Poder calorífico. Se determinó al aplicar la fórmula descrita por Cordero et al. (2001) (Cuadro 2).

Análisis estadísticos

Los datos porcentuales del contenido de humedad, material volátil, cenizas y carbón fijo se transformaron por medio de la función raíz cuadrada del arcoseno de p, donde: p = a la proporción de la variable dependiente (Schefler, 1981). Posteriormente, se realizaron pruebas de normalidad de los datos para cada variable, mediante la prueba Kolmogorov–Smirnov. A continuación se analizaron estadísticamente con el procedimiento PROC MODEL del sistema estadístico SAS/ETS® (SAS, 2004). La significancia de los resultados se determinó con un diseño experimental y un criterio de clasificación con arreglo factorial (A*B), en el que A representa a P. leavigata y E. ebano y B los dos niveles de posición dentro del horno (Steel y Torrie, 1980). Cuando se obtuvieron diferencias significativas entre tratamientos (p<0.05), se hicieron pruebas de comparación de medias según Tukey.

RESULTADOS Y DISCUSIONES

Rendimiento

El análisis de varianza del rendimiento mostró diferencias altamente significativas (p<0.01) entre especies; en cambio, en los niveles dentro del horno y las interacciones (especie*nivel) no hubo diferencias estadísticas (Cuadro 3). El mejor valor se presentó en la leña de E. ebano que necesitó 2.3±0.4 m³ para producir una tonelada de carbón; mientras que P. laevigta requirió de 2.8±0.7 m³ (Cuadro 4). La información disponible sobre rendimientos de carbón de Pithecellobium ebano (Berland.) C.H. Mull. (ébano), Haematoxylum brasiletto H. Karst. (brasil) y Sargentia greggii S. Watson (limoncillo) en horno tipo fosa señala 6.5 m³ t-¹ (Argueta, 2006). García (2008) determinó un rendimiento de carbón de Quercus spp. en horno colmena brasileño de 7.5 m³ t-¹ y en hornos metálicos de 9.1 m³ t-¹. En otro trabajo con los de colmena brasileño se registraron rendimientos de carbón de leña en rajas de 5.4±0.1 m³ t-¹ y con ramas de 9.2±0.2 m³ t-¹ (Bustamante-García et al., 2013). El alto rendimiento obtenido en este estudio comparado con lo citado por otros autores se puede atribuir a la metodología empleada para su determinación, a los taxa y a la forma y dimensiones de la leña. Otro factor importante es la clase de horno, el tipo fosa empleado genera carbón con mayor peso, como resultado de tener temperaturas bajas (< 600 °C), en comparación a los de colmena brasileño que alcanzan temperaturas cercanas a los 1 000 °C (Bustamante-García et al., 2013).

Propiedades fisicoquímicas

Contenido de humedad (CH). El análisis de varianza no presentó diferencias (p<0.05) entre especies, niveles dentro del horno e interacciones (Cuadro 5). Los valores medios del CH de ambos taxa se resumen en el Cuadro 6, así como los máximos permitidos por las normas alemana DIN 51749 (DIN 517449, 1989) y europea EN 1860-2 (EN 1860-2, 2005), y por el mercado japonés. El valor medio de las dos especies es menor al máximo permitido por dicha normatividad.

Material volátil. El análisis de varianza no evidenció diferencias significativas (p<0.05) entre especies, niveles dentro del horno e interacciones (Cuadro 7). El valor medio de Prosopis laevigata y Ebenopsis ebano es mayor al material volátil máximo permitido por las normas alemana y europea y por el mercado japonés. Según Siddique (2008), cantidades altas de material volátil indican que el proceso de carbonización fue heterogéneo y se realizó con temperaturas bajas; por lo tanto, los alquitranes no se volatilizaron durante el proceso y serán liberados cuando se lleve a cabo la combustión del carbón. Conforme aumenta el porcentaje de material volátil, se incrementan el rendimiento, el poder calorífico, la resistencia a la compresión, la cohesión, la friabilidad y la fragilidad del carbón (Bustamante-García et al., 2013). Para reducir el material volátil en el proceso de carbonización, en un horno tipo fosa, se requiere elevar la temperatura en su interior, lo que se consigue al aumentar el paso del aire; sin embargo, se consumirá mayor volumen de leña y con ello se reducirá el rendimiento.

Contenido de cenizas. El análisis de varianza mostró diferencias (p<0.05) entre especies; no así, en el caso de los niveles e interacciones (Cuadro 8). Los resultados evidencian que el contenido de cenizas de ambos taxa fue menor al porcentaje máximo permitido por las normas DIN 51749 (DIN 51749, 1989), EN 1860-2 (EN 1860-2, 2005) y por el mercado japonés (Cuadro 6). La importancia de presentar valores bajos de contenido de cenizas, responde a que su acumulación puede causar problemas en los reactores, pues ensucian los intercambiadores de calor y obstruyen el flujo de gases de combustión (Werkelin et al., 2011). Además, la ceniza tiene una reacción alcalina que cuando se mezcla con el agua, el pH de la solución se incrementa e induce la corrosión del metal (Karltun et al., 2008) (Cuadro 8).

Carbón fijo. Los resultados indican que no hubo diferencias (p<0.05) (Cuadro 9). El porcentaje de carbón fijo es menor al valor mínimo establecido en las normas y mercado usadas como punto de referencia. Un bajo contenido de carbón fijo aumenta la friabilidad y fragilidad; y disminuye la resistencia a la compresión y cohesión (Demirbas, 2003). Para incrementar los valores de carbón fijo se debe llevar la temperatura de carbonización, condición que es complicada de regular en hornos de fosa, ya que se carece de orificios auxiliares "huidos", como los que hay de tipo colmena brasileño.

Poder calorífico. El análisis de varianza mostró diferencias (p<0.05) entre especies; en cambio, no las los niveles dentro del horno y las interacciones (Cuadro 10). Los valores medios de resultaron similares a lo registrado por Duarte y Fernández (2002) para seis especies de Prosopis.

CONCLUSIONES

El carbón vegetal elaborado con leña de Prosopis laevigata y Ebenospis ebano presentó altos rendimientos en comparación con los valores citados para diferentes especies y tipos de horno.

La calidad del carbón, en términos fisicoquímicos, se sitúa dentro de los intervalos establecidos para un carbón vegetal de calidad, en relación con el contenido de humedad y porcentaje de cenizas; sin embargo, los valores del material volátil y carbón fijo de ambas especies no corresponden con las normas internacionales tomadas como referencia.

El poder calorífico del carbón elaborado con P. laevigata y E. ebano coincide con los valores documentados en la literatura para seis especies de Prosopis.

La calidad del carbón de ambas especies puede incrementar, si se consideran aspectos operativos durante el proceso de carbonización como elevar la temperatura para reducir el porcentaje de material volátil y aumentar el carbón fijo; sin embargo, se reduciría el rendimiento.

REFERENCIAS

Antal, M. J. and M. Grønli. 2003. The Art, Science, and Technology of Charcoal Production. Industrial & Engineering Chemistry Research 42 (8):1619-1640.         [ Links ]

Argueta S., C. 2006. Descripción y análisis de dos métodos de producción de carbón vegetal en el estado de Tamaulipas. Tesis de Licienciatura. Universidad Autónoma Chapingo. DICIFO. Chapingo, Edo. de Méx. México. 92 p.         [ Links ]

American Society for Testing and Materials (ASTM). 2001. Standard methods for chemical analysis of wood charcoal, ASTM D1762-84 reaprobada 2001. Philadelphia, PA. USA. 2 p.         [ Links ]

Bustamante-García, V., A. Carrillo-Parra, H. González-Rodríguez, R. G. Ramírez-Lozano, J. J. Corral-Rivasand and F. Garza-Ocañas. 2013. Evaluation of a charcoal production process from forest residues of Quercus sideroxyla Humb., & Bonpl. in a Brazilian beehive kiln. Industrial Crops and Products 42:169-174.         [ Links ]

Camps, M., M. F. Hernández Á. y F. Marcos M. 2008. Los Biocombustibles. Mundi- Prensa. Madrid, España. 361 p.         [ Links ]

Cordero, T., F. Marquez, J. Rodriguez-Mirasol and J. J. Rodriguez 2001. Predicting heating values of lignocellulosics and carbonaceous materials from proximate analysis. Fuel. 80(11):1567-1571.         [ Links ]

Demirbas, A. 2003. Sustainable cofiring of biomass with coal. Energy Conversion and Management. 44 (9):1465-1479.         [ Links ]

Deutsches Institut für Normung (DIN).1989. Prüfung fester Brennstoffe-Grill-Holzkohle und Grill Holzkohle Briketts: Anforderungen und Prüfverfahren. Deutsches Institut für Normung. Taschenbuch 31. Berlin, Beuth Verlag. Germany. 4 p.         [ Links ]

Duarte P., J. C., y P. C. Fernández L. 2002. Comparação da qualidade da madeira de seis espécies de algarobeira para a produção de energia. Boletim de Pesquisa Florestal. 45:99-107.         [ Links ]

European Norm (EN). 2005. EN 1860-2. 2005. Appliances, solid fuels and firelighters for barbecueing - Part 2: Barbecue charcoal and barbecue charcoal briquettes- Requirements and test methods. The British Standards Institution. London, UK. 27 p.         [ Links ]

Encinso E., E. 2007. Guía para el uso y aprovechamiento de la biomasa en el sector forestal. Año 2007, Ministerio de Industria, Turismo y Comercio. Montaraz Ktk S. L.. Madrid, España. 38 p.         [ Links ]

Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura (FAO). 1983. Métodos simples para fabricar carbón vegetal. http://www.fao.org/docrep/X5328S/X5328S00.htm#Contents. (29 de marzo de 2013).         [ Links ]

García M., J. G. 2008. Carbón de encino: Fuente de calor y energía. Conabio. Biodiversitas 77: 7-9.         [ Links ]

García M., J. G. 2010. Determinación de rendimientos y calidad de carbón de residuos de Quercus spp, grupo Erythrobalanus, en dos tipos de hornos. Tesis de Maestría. Maestría, Universidad Juárez del Estado de Durango. Durango, Dgo. México. 78 p.         [ Links ]

Kargbo, F. R., J. Xing and Y. Zhang. 2009. Pretreatment for energy use of rice straw: A review. African Journal of Agricultural Research. 4(13):1560-1565.         [ Links ]

Karltun, E., A. Saarsalmi, M. Ingerslev, M. Mandre, S. Andersson, T. Gaitnieks, R. Ozolinius, and I. Varnagiryte-Kabasinskiene. 2008. Wood Ash Recycling – Possibilities And Risks. Sustainable Use of Forest Biomass for Energy. In: Röser, D., A. Asikainen, K. Raulund-Rasmussen K. and I. Stupak, (eds.). Springer Netherlands. pp. 79-108.         [ Links ]

Kretschmann, D., J. Winandy, C. Clausen, M. Wiemann, R. Bergman, R. Rowell, J. Zerbe, J. Beecher, R. White, D. Mckeever and J. Howard. 2007. Wood. Kirt-Othmer Enciclopedia of Chemical Tecnhology. John Wiley and Sons, Inc. Hoboken, NY. USA. 890p.         [ Links ]

Márquez-Montesino, F., T. Cordero A., J. Rodríguez-Mirasol y J. J. Rodríguez-Jiménez. 2001. Estudio del potencial energético de biomasa Pinus caribea Morelet var. caribea (Pc) y Pinus tropicalis Morelert (Pt); Eucalyptus saligna Smith (Es), Eucalyptus citrodora Hook (Ec) y Eucalyptus pellita F. Muell (Ep); de la Provincia de Pinar del Río. Revista Chapingo Serie Ciencias Forestales y del Ambiente 7(1): 83-89.         [ Links ]

Martínez, B. T., O. C. Masera, T. Ch. Arias, D. Pandey, E. Riegelhaupt and A. Ujlig. 2010. Wood fuel development and climate change mitigation in Mexico. Forests and Climate Change Working Paper. Rome, Italy. 60 p.         [ Links ]

Patiño, D. J. F. y R. Smith Q. 2008. Consideraciones sobre la dendroenergía bajo un enfoque sistémico. Revista Energética. 39 p.         [ Links ]

Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA). 2010. Avances y progresos científicos en nuestro cambiante medio ambiente, Nairobi, Kenya. http://www.unep.org/yearbook/2010/PDF/UNEP_ES_2010_low.pdf. (29 de marzo de 20013).         [ Links ]

Romahn D. L. V., C. F. 1992. Principales productos forestales No maderables de México.Universidad Autónoma Chapingo. Chapingo, Edo. de Méx. México. 376 p.         [ Links ]

Statistical Analysis System (SAS). 2004. SAS Institute Inc. SAS/STAT User’s Guide. Release 9.1. SAS Institute. Raleigh, NC. USA. 5136 p.         [ Links ]

Schefler, W. C. 1981. Bioestadística. Fondo Educativo Interamericano. México.D.F. México. 267 p.         [ Links ]

Siddique, R. 2008. Wood Ash. Waste Materials and By-Products in Concrete. Springer. Berlin Heidelberg. Germany. 413 p.         [ Links ]

Steel, R. G. D. and H. J. Torrie. 1980. Principles and Procedures of Statistics: A Biometrical Approach, McGraw-Hill Inc. New York, NY. USA. 633 p.         [ Links ]

Werkelin, J., D. Lindberg, D. Boström, B. J. Skrifvars and M. Hupa. 2011. Ash-forming elements in four Scandinavian wood species part 3: Combustion of five spruce samples. Biomass and Bioenergy. 35 (1): 725-733.         [ Links ]

Wu, M. R., D. L. Schott and G. Lodewijks. 2011. Physical properties of solid biomass. Biomass and Bioenergy. 35(5): 2093-2105.         [ Links ]