07.08.17

Producción de carbón vegetal. Parte 2

La madera absolutamente seca no existe. La madera húmeda se debe secar antes de que comience su descomposición. Mientras que en sus capas superficiales exista la humedad, la temperatura de madera no podrá superar 100 °С, de hecho es la temperatura de ebullición. Sólo cuando las capas superficiales se sequen por completo, la temperatura de madera comenzará a aumentar. La madera consiste en varios componentes que tienen diferente composición química. Primero, con la temperatura en la superficie del trozo de aproximadamente 180-200 °С comienzan a descomponerse las hemicelulosas, luego la celulosa y luego la lignina. Con la temperatura en la superficie hasta 280-290 °С tiene lugar sólo la separación de unos eslabones pequeños que forman los gases y los productos líquidos ligeros. Más cerca a 300 °С comienza un proceso más agitado de descomposición que se acompaña de desprendimiento de calor (exoterma). Con esto la temperatura de madera crecerá espontáneamente hasta que se desprende todo el calor de exoterma. La siguiente etapa requiere de nuevo la conducción de calor externo. Es la calcinación de carbón. Vamos a estudiar las etapas principales más detalladamente.

MÉTODOS DE CALENTAMIENTO DEL MATERIAL

El calentamiento es la conducción de calor al material. Existen muchos métodos de calentar el material (inducción, radiación térmica, etc.), mas durante el carboneo por lo habitual se usa sea el calentamiento directo con flujo de gas caliente que corre a través de la capa y lava la superficie de trozos individuales, sea el calentamiento indirecto a través de la pared de aparato. En el último caso la transmisión del calor es menos efectiva.

Calentamiento directo. Por sí mismo este método de conducción de calor es más efectivo que otros, sin embargo, está ligado con algunos problemas tecnológicos de los que vamos a hablar más tarde. El movimiento de gas a través de la capa no siempre puede ser regular por la sección. Durante el movimiento vertical hacia arriba el flujo cerca de las paredes está siempre mayor que a través de la capa. Cerca de las paredes siempre hay más oquedades, por eso es menor la resistencia al flujo. El calor de gas caliente – agente de transferencia térmica – se transmite a la leña fría a través de la superficie de los trozos. Cuanto menor sea el material cargado, tanto mayor será la superficie específica. Pero menor serán los tamaños de los canales, las oquedades entre los trozos individuales. Si cargamos el serrín en el aparato en una capa, la filtración de flujo a través de este será insignificante. El flujo irá a lo largo de las paredes y hará los canales en la capa. La masa principal de partículas no se lavará. La presencia de las oquedades cerradas entre partículas hace del serrín un conductor malo de calor (no es casual que en el terreno rural el serrín se eche a menudo durante el invierno hacia los marcos de entibación de las casas para protección contra el frío). La transmisión de calor a través de la capa a causa de esto está dificultada. Por eso el secado y la pirólisis de serrín y de otros materiales pequeños en la capa no son efectivos.

Existen las particularidades de distribución del flujo a través de la capa según orientación del aparato, los lugares de conducción y salida del agente de transferencia térmica, la relación entre la altura y longitud de aparato. Hay que tomar en consideración que en caso de poca velocidad del flujo, en el espacio del aparato, se forman las zonas de estancamiento que se calientan peor que otros sectores.

Problemas tecnológicos relacionados con el calentamiento directo. Es difícil preparar el agente de transferencia térmica que no contiene el oxígeno. Incluso durante la quema de gas natural, a fin de asegurar la combustión completa es necesario el exceso de aire. Los demás tipos de combustible requieren para una combustión normal el exceso de aire mayor que para el gas natural. Por eso en el agente de transferencia térmica está siempre presente el oxígeno. Se puede instalar el sistema adicional de captura de oxígeno del agente de transferencia térmica, pero este sistema complica la tecnología y crea un objeto adicional destinado al control y mantenimiento.

Cuando el agente de transferencia térmica que contiene el oxígeno entra en el secado, surge la necesidad de un control más serio, ya que la madera puesta más seca en el secado puede encenderse. Si el agente de transferencia térmica con oxígeno entra dentro de los aparatos donde tiene lugar la pirólisis, la oxidación de la parte de carbón será inevitable. Por eso la salida de carbón en este caso se reduce. Los productos líquidos y gaseosos de descomposición de madera se mezclan con los gases de la combustión ininflamables; los gases formados tienen el poder calorífico bajo, es difícil quemarlos. Si se puede quemarlos con alumbrado de un combustible con más calorías, el rendimiento calorífico será más bajo, ya que los gases están diluidos. Para el suministro inverso de los productos de combustión en la cámara de pirólisis es necesario usar el aspirador de humos caliente, este debe estar hecho de un metal resistente a los ácidos, ya que es posible la entrada en este de los productos de descomposición. Hay una complicación más: en el agente de transferencia térmica por gas quedan las substancias que huelen mal, y el carbón tiene el olor desagradable. Para deshacerse de este es necesario separar la zona de enfriamiento de carbón en un ciclo independiente, y realizar el enfriamiento con flujo de gas individual que no contiene los componentes olorosos.

Calentamiento a través de la pared. En el carboneo está distribuido el calentamiento externo de los vasos incorporados en los dispositivos de calentamiento (horno, caja de fuego) donde tiene lugar el secado y la pirólisis. El calor es conducido a las paredes de estos vasos más a menudo con flujo de gas del agente de transferencia térmica, a veces por la radiación directa del combustible ardiente y las paredes incandescentes de la caja de fuego.

Con esto, primero, se calientan las paredes del vaso. Los gases calentados comienzan a subir a lo largo de las paredes, y al enfriándose por cuenta de transmisión de calor al material, bajan por la zona interna. Se forman los flujos cíclicos, como se muestra en la fig. 3. En el aparato posicionado en horizontal tales flujos juegan un papel menor.

 

 

QUÉ ES EL SECADO

Antes de la pirólisis es necesario secar la leña. El proceso de secado de cualquier material en trozos consiste en varios períodos (fig. 4).

 

 

Mientras que la humedad esté alta, la velocidad del proceso se determina por la posibilidad de derivar la humedad de la superficie y sacar del aparato. Es el período de velocidad constante de secado (I).

La velocidad depende del estado del medio de gas. Cuanto mayor sea la temperatura, así como cuanto más rápido se extraiga la humedad de la superficie del material, tanto mayor será la velocidad de secado. En la medida de reducción de la humedad se reduce la velocidad de movimiento de la humedad dentro del trozo.

Llega un momento cuando llegará menos humedad hacia la superficie que el medio podría desviar, comienza el período de velocidad decreciente de secado (II). En cada siguiente momento de tiempo llega menos humedad hacia la superficie. Cuando la frente de la humedad se retire dentro del trozo, la superficie del material comenzará a calentarse hasta una temperatura superior que la ebullición de agua. Entre tanto dentro del trozo la temperatura no supera como antes 100 °С. Por eso en la superficie del trozo tiene lugar la pirólisis con frecuencia, y dentro un secado más. Cuando la mayor parte de la humedad libre esté eliminada, la velocidad de secado comenzará a caer bruscamente, es el período de eliminación de la humedad capilar (III). La humedad en la madera se distribuye en los poros grandes y pequeños, en las cavidades de las células. Una parte de los poros pequeños es capaz a solaparse durante reducción de la humedad. Tal mecanismo protege la planta viva contra la desecación completa, dificulta la eliminación de la humedad restante de la madera. El punto de inflexión entre los períodos I y II se llama el primer punto crítico. Tanto la velocidad de secado durante el período I como la hora de comienzo del período II desde el comienzo de secado dependen de la temperatura y el modo de movimiento del agente de transferencia térmica por gas que rodea la madera. Si el secado se realiza por el agente de transferencia térmica que tiene la temperatura no superior a 100 °С (como se hace durante el secado de los productos madereros), también tiene un gran significado el contenido de humedad del agente de transferencia térmica.

Pero durante el secado de leña por lo habitual se usan las temperaturas más altas. El segundo punto crítico se llama la transmisión del período II al período III. En la práctica el secado durante el período III transcurre muy lentamente. Para los fines prácticos se puede considerar que este cesa. No se puede indicar la posición exacta de los puntos críticos. Sus coordenadas dependen de los factores externos y las particularidades estructurales de madera. La mayoría de investigadores encuentra en diferentes condiciones la posición de primer punto crítico correspondiente a la humedad de 25 a 35% relat., del segundo punto crítico – de 8 a 12% relat.

De ahí resulta que el aumento de la duración de secado por más tiempo necesario para acercarse hasta el primer punto crítico a menudo no está económicamente beneficioso, ya que la eliminación de cada siguiente porciento de la humedad requiere más tiempo que la eliminación del anterior.

El tamaño del trozo juega un papel mayor que durante el secado. Cuanto menor sea el trozo, tanto más superficies abiertas convendrán a la unidad de peso, y más rápido será el secado. Pero es a condición que la capa del material se ventila regularmente por el flujo.

El serrín crea una resistencia al flujo, forma las oquedades cerradas entre partículas, por eso se secan en la capa peor que los trozos grandes. Las particularidades estructurales de madera determinan las condiciones diferentes de movimiento de la humedad de dentro a la superficie en las direcciones a lo largo y de través del tronco: un trozo redondo incluso de un diámetro pequeño se seca bastante peor que un leño cortado más grueso.

Antes había aceptada una tecnología con la que la leña colocada en pilas de leña se almacenaba en una bolsa durante los meses de verano para el secado natural. El apilamiento se hacía a mano, siguiendo ciertas reglas, con guarniciones, lo que aseguraba el buen ventilado. Por arriba la pila se cubría con la corteza. En el tiempo seco la leña alcanzaba el estado secado por aire (25-28% de humedad) durante las primeras semanas. Tal método es desventajoso en las condiciones modernas, ya que durante un largo plazo se desvían de la circulación los fondos que fueron gastados para abastecimiento y almacenamiento, se requieren las áreas grandes. Esta práctica fue rechazada en todas partes. La colocación manual no se recupera. Existe una experiencia exitosa de secado en montones en los soportes en rejilla. En cualquier caso la colocación de leña para secado, y luego su selección para el procesamiento es un eslabón adicional costoso. Además, el almacenamiento de leña en las situaciones financieras modernas significa la reducción de los ritmos de uso de los fondos de circulación. Por eso sería óptimo el secado artificial.

Como ya se había mencionado, la velocidad de secado depende de la temperatura del agente de transferencia térmica. Pero el secado es el proceso de eliminación de la humedad. Durante el secado también se cambia la estructura de madera. Si el secado es intensivo (lo que suele haber con la temperatura alta del agente de transferencia térmica), al mismo tiempo se forman muchos vapores. En el trozo se desarrollará una presión mayor cuando este sea más grande, y mayor la temperatura de calentamiento. Con esta presión se despedaza la madera.

Luego el carbón resulta ser pequeño y con grietas. Y a lo contrario, el calentamiento lento, el proceso que dura durante varios días con aumento lento de temperatura permite obtener el carbón carbonizado perfectamente sin grietas. Exactamente por eso algunas tecnologías primitivas desde el carboneo en montones hasta el uso de los hornos aceptados en el Sudeste de Asia producen el carbón de alta calidad. Se puede observar estas condiciones en cualesquier hornos, y no sólo en los asiáticos tradicionales. En literatura se suele encontrar los enlaces a una particularidad de los hornos asiáticos que son únicamente posibles para obtener los carbones muy de calidad, sin embargo, no se debe confiar en los distribuidores de estas ideas. Sea que están limitados en las nociones sobre el proceso, sea que desinforman concientemente a los lectores en provecho de promoción de “su” tecnología.

Estos hornos “ecológicamente sucios” y de gasto permiten obtener un buen carbón a causa del carácter bastante prolongado del proceso. Pero tales condiciones también se puede reproducir en cualesquier otros aparatos. Pero las causas sólo económicas (capacidad productiva específica baja) simplemente no permitirán a distribuir el modo semejante en todas partes.

Autor de este artículo: Yiriy Yudkevich, candidato de ciencias técnicas. Este material está publicado con permiso de la hija del autor.

 

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