Revista Cubana de Química ISSN: Universidad de Oriente Cuba

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1 Revista Cubana de Química ISSN: Universidad de Oriente Cuba Fuentes Hernández, Ana Cristina; Salas Tort, Dolores; Recio Recio, Angel VALORACIÓN DE LA CALIDAD DEL CARBÓN VEGETAL DE LAS ZONAS DE LA EFI EMPRESA FORESTAL GRAN PIEDRA- BACONAO Revista Cubana de Química, vol. XVIII, núm. 1, 2006, pp Universidad de Oriente Santiago de Cuba, Cuba Disponible en: Cómo citar el artículo Número completo Más información del artículo Página de la revista en redalyc.org Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

2 VALORACIÓN DE LA CALIDAD DEL CARBÓN VEGETAL DE LAS ZONAS DE LA EFI EMPRESA FORESTAL GRAN PIEDRA- BACONAO Ana Cristina Fuentes Hernández 1,Dolores Salas Tort 2.Angel Recio Recio 3. 1 Dpto. Fundamentos Químicos y Biológicos, Universidad de Oriente. 2 1 Dpto. Fundamentos Químicos y Biológicos, Universidad de Oriente Avenida de la Américas s/n, Santiago de Cuba, Cuba. 3 Centro de Eficiencia Energética. Avenida de la Américas s/n, Santiago de Cuba, Cuba Resumen En este trabajo se realiza un estudio del carbón vegetal que se produce en las diferentes zonas correspondientes a la Empresa Forestal Gran Piedra-Baconao de la provincia de Santiago de Cuba. Se realiza una caracterización del carbón vegetal que se produce por zonas determinándose contenido de humedad, volátiles, cenizas y carbono fijo entre otros, para un determinado rango de granulometría. Se analiza el comportamiento de la calidad del carbón vegetal en las diferentes zonas y se determina cuales zonas produce un carbón vegetal de buena calidad. Palabras claves: calidad, carbón vegetal, madera, variedades, zonas Introducción La madera consiste de tres componentes principales: celulosa, lignina y agua. La celulosa, la lignina y algunas otras materias están fuertemente unidas 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. 1 La madera es sometida a un proceso de carbonización, a temperatura entre 280 C y 500 C, obteniendo un residuo sólido llamado carbón vegetal. 2 Carbón vegetal es el residuo sólido que queda cuando se "carboniza" la madera, en condiciones controladas, en un espacio cerrado, como es el horno de carbón. El control se hace sobre la entrada del aire, durante el proceso de carbonización, para que la madera no se queme simplemente en cenizas, como sucede en un fuego convencional, sino que se descomponga químicamente para formar el carbón vegetal. La calidad de l carbón vegetal se define según algunas de sus propiedades y, si bien todas en cierto modo están interrelacionadas, se miden y se valúan por separado, las mismas son: Contenido de humedad El carbón fresco, apenas abierto el horno, contiene muy poca humedad, generalmente menos del 1%. La absorción de humedad del aire mismo es rápida, y gana con el tiempo humedad que, aun sin mojarse con la lluvia, puede llegar a un contenido del 5 al 10%, aun para el carbón vegetal bien quemado. 3. Cuando no se ha quemado correctamente el carbón o cuando los ácidos piroleñosos y alquitranes solubles han sido retomados por el carbón vegetal a causa de la lluvia, como puede suceder en la quema en fosas o parvas aumenta la higroscopicidad del carbón y su contenido de humedad natural o en equilibrio puede subir al 15% o más. 4 Volátiles. Los volátiles en el carbón vegetal comprenden todos esos residuos líquidos y alquitranosos que no fueron eliminados completamente durante el proceso de carbonizaci6n. Cuando la carbonizaci6n es prolongada y a alta temperatura, el contenido de volátiles es entonces bajo. Cuando la temperatura de carbonizaci6n es baja y el período en el horno es breve, entonces el contenido de sustancia volátil aumenta. 4 Vol. XVIII, N o 1,

3 Contenido de carbono fijo. 4 El carbono fijo es un importante indicador de la calidad del carbón y se usa como un criterio para clasificar carbón para la industria. Se ha comprobado que a mayor temperatura mayor es la conversión de carbono fijo. Contenido de cenizas. Se trata de substancias minerales, como la arcilla, sílice y óxidos de calcio y de magnesio, etc., presentes en la madera original y recogidos, como contaminaciones del suelo, durante el proceso. Otro parámetro de calidad del carbón vegetal es la friabilidad, que es un importante parámetro comercial y da una medida relativa de la fortaleza fisica del carbón como indicando su resistencia a la manipulación En este trabajo se realiza un estudio de la calidad del carbón vegetal que se produce en las diferentes zonas correspondientes a la Empresa Forestal Sierra Maestra de la provincia de Santiago de Cuba, por lo que se realiza una caracterización del carbón vegetal que se produce por zonas determinándose contenido de humedad, volátiles, cenizas, carbono fijo, valor calórico y densidad aparente entre otros, para un determinado rango de granulometría. Métodos experimentales El carbón vegetal que se produce en las diferentes zonas correspondientes a la Empresa Forestal Sierra Maestra, el cual es tamizado, obteniendo una granulometría determinado, es triturado, para obtener una muestra homogénea de carbón vegetal, realizando el análisis inmediato según las 3 Normas ASTM Standard Methods for Proximate Análisis of Coal and Coke. Humedad El contenido de humedad se determina secando al horno una muestra de carbón, y se expresa en masa de agua por masa de carbón seco. Es evidente que el carbón vegetal con un elevado contenido de humedad (10% 0 más) tiende a desmenuzarse y produce carbonilla fina cuando se calienta en las fundiciones, lo que no es deseable en la producción de hierro. 5 El contenido de humedad, vendrá dado por: m1 m2 Humedad = m2 m > masa de la muestra húmeda (g) m > masa de la muestra seca (g) Contenido de volátiles Se pesa un gramo de la muestra de carbón vegetal y se introduce en la mufla a temperatura de 900 C durante 3 minutos, posteriormente se retira el crisol, se enfría y luego se pesa en balanza analítica El contenido de volátiles expresado en %, vendrá dado por: m2 mnv % Volátiles = * 100 m2 m > masa de la muestra seca (g) m nv > masa de no volátiles (g), Carbono fijo % carbono fijo = * 100 m cf m cf m 2 masa de carbono fijo Vol. XVIII, N o 1,

4 m cf = m nv - m ce m ce masa de cenizas Contenido de cenizas Se pesa un gramo de la muestra y se coloca en la mufla, con un exceso de aire a la temperatura de 750 C, durante 2 horas; el crisol se coloca en la desecadora y se enfría para posteriormente pesar. 5 m ce m 2 % cenizas = * 100 Estos análisis se realizaron en la estufa de convección forzada para desecación y esterilización, marca P Selecta y una mufla de marca Nabertherm, ambos de fabricación alemana. Los resultados se muestran a continuación: Resultados y discusión. Se realiza el análisis inmediato del carbón vegetal de las diferentes zonas: El Palenque, Arroyo- Naranjo, Gran Piedra, La Benevolencia y La Anita. Ver Anexo 1 (Tabla 1) Análisis inmediato del carbón vegetal proveniente de la Zona Gran Piedra (3). (Tabla 2) Análisis inmediato del carbón vegetal proveniente de la Zona Arroyo naranjo (2) (Tabla 3) Análisis inmediato del carbón vegetal proveniente de la Zona La Piedra, Benevolencia (4) (Tabla 4) Análisis inmediato del carbón vegetal proveniente de la Zona La Anita (5) (Tabla 5) Análisis inmediato del carbón vegetal proveniente de la Zona El palenque (1) Estos resultados fueron analizados aplicando el Statgraphics 2.1, realizando un análisis de varianza que nos permitirá analizar el comportamiento de estos factores en las diferentes zonas. Al analizar el comportamiento de estos factores, tales como: humedad, carbono fijo, volátiles y cenizas en las diferentes zonas, se tuvo en cuenta los resultados estadísticos que se muestran en la Tabla 1 del Anexo 2. Como se observa en la Tabla, el P- value es menor que 0,05, por lo que entre las medias de humedad para las diferentes zonas existen diferencias significativas estadísticamente, la zona influye sobre esta variable dependiendo de las condiciones climáticas de la misma. Para determinar cuales de las medias tienen diferencias significativas unas con respecto a otras, se realizó la prueba estadística de Múltiple Rango, los resultados se muestran la Tabla1 del Anexo 3. Como se observa existen siete pares de Zonas que tienen diferencias significativas estadísticamente, existiendo grupos de diferentes zonas que se consideran homogéneos, por tener un comportamiento similar en las medias de esta variable, en este caso son tres, los cuales son: Zona La Anita Gran Piedra, Gran Piedra Arroyo Naranjo y La Piedra El palenque, como se observa en el gráfico No. 1 En la Tabla 2 del Anexo 2 se observa que el P- value es menor que 0,05, por lo que entre las medias de volátiles para las diferentes zonas existen diferencias significativas estadísticamente, por lo que el contenido de volátiles en las diferentes zonas tienen comportamiento diferente debido a los parámetros de operación del proceso de carbonización; a una temperatura alta se obtienen carbones vegetales con un bajo contenido de volátiles, lo que dificulta su encendido, pero produce una combustión limpia. Cuando la temperatura es baja, los carbones vegetales tienen un alto contenido de volátiles, pero producen mucho humo y se obtiene más carbonilla durante la transportación de este carbón. Además hay que considerar el clima de la zona; ya que zonas muy húmedas o condiciones de lluvia en el momento de la carbonización puede provocar la readsorción de alquitranes y los ácidos piroleñosos. Vol. XVIII, N o 1,

5 Para determinar cuales de las medias de volátiles de las diferentes zonas tienen diferencias significativas unas con respecto a otras, se realizó la prueba estadística de Múltiple Rango, los resultados se muestran en la tabla 2 del anexo 3. Como se observa existen siete pares de Zonas que tienen diferencias significativas estadísticamente, existiendo grupos de diferentes zonas que se consideran homogéneos, por tener un comportamiento similar en las medias de esta variable, en este caso son cuatro, los cuales son: Zona La Anita la Piedra, La Piedra El Palenque, La Gran Piedra El palenque y Arroyo Naranjo, como se observa en el gráfico No. 2. Del análisis de los resultados estadísticos se observa en la Tabla 3 del anexo 2 que el P- value es menor que 0,05, por lo que entre las medias de carbono fijo para las diferentes zonas existen diferencias significativas estadísticamente, el contenido de volátiles tiene comportamiento diferente producto de los parámetros de operación del proceso de carbonización y a la variedad de especies que existen en las zonas. Para determinar cuales de las medias tienen diferencias significativas unas con respecto a otras, se realizó la prueba estadística de Múltiple Rango, los resultados se muestran en la tabla 3 del anexo 3. Se observa que existen cinco pares de Zonas que tienen diferencias significativas estadísticamente, existiendo grupos de diferentes zonas que se consideran homogéneos, por tener un comportamiento similar en las medias de esta variable, en este caso son tres, los cuales son: Zona Arroyo Naranjo, La Anita Gran Piedra - Palenque, La Piedra El Palenque - La Anita, como se observa en el gráfico No. 3. De la Tabla 4 del Anexo 2 se observa que el P- value es menor que 0,05, por lo que entre las medias de cenizas para las diferentes zonas existen diferencias significativas estadísticamente, el contenido de cenizas tiene comportamiento diferente dependiendo de las especies maderables, la cantidad de corteza incluida con la madera y la contaminación con tierra y arena al añadir la materia prima. Además otro factor a considerar es la cantidad de aire en el proceso de carbonización, lo cual depende del diseño tecnológico del horno. Para determinar cuales de las medias tienen diferencias significativas unas con respecto a otras, se realizó la prueba estadística de Múltiple Rango, los resultados se muestran en la tabla 4 del anexo 3. Como se observa existen siete pares de Zonas que tienen diferencias significativas estadísticamente para un nivel de confianza de 95%, existiendo grupos de diferentes zonas que se consideran homogéneos, por tener un comportamiento similar en las medias de esta variable, en este caso son tres, los cuales son: Zona La Anita La Piedra La Gran Piedra, El Palenque y Arroyo Naranjo, como se observa en el gráfico No.4. Conclusiones. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos se llega a las siguientes conclusiones: 1.- Todas las zonas tienen un efecto significativo en las diferentes características que determinan la calidad del carbón vegetal. 2.- El carbón vegetal obtenido en las Zonas El Palenque Y la Piedra presentan los mayores valores de humedad. 3.- En la Zona Arroyo Naranjo se produce un carbón vegetal con un alto contenido de volátiles. 4.- En las Zonas La Anita, La Piedra y El Palenque se obtienen carbón vegetal con los mayores valores de carbono fijo, mientras que en la Zona La Anita se produce un carbón con un bajo contenido de carbono fijo. 5.- El carbón vegetal obtenido en la Zona El Palenque tiene un bajo contenido de ceniza y en la Zona Arroyo Naranjo tiene un alto contenido de ceniza. Vol. XVIII, N o 1,

6 6- La calidad de los carbones vegetales obtenidos en las diferentes zonas es bueno al compararlas con los valores de los diferentes parámetros de calidad reportados en la literatura y las exigencias de Cuba Export. 7.- De las zonas analizadas, el carbón vegetal de mejor calidad es el que se produce en las zonas: El Palenque, la Piedra benevolencia y la Anita. Bibliografía 1. http\\www\procesos de carbonización\carbonización (cap 4).htm. 2. Shah N, Giraed, P: Carbonization of wood: Produc Analysis and Energy Assessment. 3. Enciclopedia ULLMANN, Química Industrial, http\\www\carbonización\carbón (cap13).htm. 5. http\\www\carbonización Industrial.htm. Anexo 1 (Tabla 1) Análisis inmediato del carbón vegetal proveniente de la Zona Gran Piedra (3). Muestras Humedad volátiles %Volátiles Carbono Fijo % Carbono Cenizas % Cenizas B.S. fijo (B.S.) (B.S.) 1 0, , ,33 0, ,86 0,056 5,80 2 0, , ,49 0, ,11 0,0519 5,40 3 0, , ,01 0,724 74,99 0,0482 4,99 4 0, O, ,39 0, ,77 O,0378 3,97 5 0, , ,87 0, ,70 0,0424 4,42 (Tabla 2) Análisis inmediato del carbón vegetal proveniente de la Zona Arroyo naranjo (2) M uestras Humedad volátiles %Volátiles Carbono Fijo % Carbono Cenizas % Cenizas B.S. fijo (B.S.) (B.S.) 1 0, , ,61 0, ,97 0,0612 6,41 2 0, , ,77 0, ,32 0,0568 5,92 3 0, , ,12 0, ,36 0,0721 7,52 4 0, , ,51 0, ,23 0,0598 6,25 5 0, , ,55 0, ,55 0,0564 5,89 (Tabla 3) Análisis inmediato del carbón vegetal proveniente de la Zona La Piedra, Benevolencia (4) Muestras Humedad Volátiles %Volátiles Carbono Fijo % Carbono Cenizas % Cenizas B.S. fijo 1 0, , ,93 0, ,28 0,0549 5,78 2 0, , ,12 0, ,29 0,0529 5,58 3 0, , ,25 0, ,12 0,0440 4,63 4 0, , ,03 0, ,18 0,0454 4,78 5 0, , ,56 0, ,92 0,0430 4,52 Vol. XVIII, N o 1,

7 (Tabla 4) Análisis inmediato del carbón vegetal proveniente de la Zona La Anita (5) Muestras Humedad Volátiles %Volátiles Carbono Fijo % Carbono Cenizas % Cenizas B.S. fijo 1 0, , ,48 0, ,12 0,0624 6,48 2 0, , ,08 0, ,03 0,0468 4,88 3 0, , ,45 0, ,81 0,0554 5,73 4 0, , ,54 0, ,12 0,0417 4,34 5 0, , ,18 0, ,45 0,0516 5,37 (Tabla 5) Análisis inmediato del carbón vegetal proveniente de la Zona El palenque (1) Muestras Humedad Volátiles %Volátiles Carbono Fijo % Carbono Cenizas % Cenizas B.S. fijo 1 0, , ,30 0, ,78 0,0370 3,91 2 0, , ,51 0, ,87 0,0343 3,62 3 0, , ,97 0, ,13 0,0370 3,90 4 0, , ,97 0, ,49 0,0334 3,54 5 0, , ,84 0, ,01 0,0298 3,14 Anexo 2 Tabla 1. Análisis de varianza para la variable Humedad Source Sum of Df Mean F-Ratio P-Value Between 0, , ,97 0 Within 0, ,1763E-05 Total (Corr.) 0, Tabla 2 Análisis de Varianza para la variable Volátiles Source Sum of Df Mean F-Ratio P-Value Between 285, , ,33 0,0001 Within 125, ,29391 Total (Corr.) 411, Vol. XVIII, N o 1,

8 Tabla 3. Análisis de Varianza para la variable Carbono Fijo Source Sum of Df Mean F-Ratio P-Value Between 336, , ,28 0,0001 Within 163, ,17852 Total (Corr.) 499, Tabla 4. Análisis de Varianza para la variable Ceniza Source Sum of Df Mean F-Ratio P-Value Between 19, , ,9 0 Within 8, , Total (Corr.) 28, Anexo 3 Tabla 1. Prueba de Múltiple Rango para la Humedad. Contraste Difference 1 2 * 0, * 0, , * 0, , *0, *0, *0, , *0, Tabla 2. Prueba de Múltiple Rango para Volátiles. Contraste Difference 1 2 * , , * * * * * * ,432 Vol. XVIII, N o 1,

9 Tabla 3. Prueba de Múltiple Rango para Carbono Fijo. Contraste Difference 1 2 * * * * * Tabla 4. Prueba de Múltiple Rango para Cenizas. Contraste Difference 1 2 * * * * * * * , ,444-0,302 Anexo 4 Gráfico 1 (X 0.001) 61 Comportamiento de la humedad por zonas 57 Humedad ZONAS Vol. XVIII, N o 1,

10 Gráfico 2 Comportamiento de los vo látiles por zonas Volátiles ZONAS Gráfico 3 Comportamiento del Carbono Fijo por zonas 0.78 Carbono Fijo ZONAS Gráfico 4 Comportamiento de las cenizas por zonas Cenizas ZONAS Vol. XVIII, N o 1,