UNIVERSIDAD AUTONOMA CHAPINGO. DIVISION DE CIENCIAS FORESTALES.

ANALISIS DE LA CALIDAD DEL CARBÒN VEGETAL DE ENCINO PRODUCIDO EN HORNO TIPO COLMENA BRASILEÑO EN HUAYACOCOTLA, VERACRUZ.

TESIS. Que como Requisito Parcial para Obtener el Titulo de: INGENIERIO FORESTAL INDUSTRIAL.

PRESENTA:

JUAN CARLOS ORDAZ HERNANDEZ.

CHAPINGO, MEXICO 2003. i

ESTA TESIS, ANALISIS DE LA CALIDAD DEL CARBÒN VEGETAL DE ENCINO PRODUCIDO EN HORNO TIPO COLMENA BRASILEÑO EN HUAYACOCOTLA, VERACRUZ, FUE REALIZADA POR EL C. JUAN CARLOS ORDAZ HERNANDEZ, BAJO LA DIRECCIÓN DEL DR. LEONARDO SANCHEZ ROJAS, HA SIDO REVISADA Y APROBADA POR EL SIGUIENTE COMITÉ REVISOR Y JURADO EXAMINADOR, PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO FORESTAL INDUSTRIAL.

PRESIDENTE:

___________________________________ DR. LEONARDO SANCHEZ ROJAS.

SECRETARIO:

___________________________________ M. C. ANGEL LEYVA OVALLE.

VOCAL:

___________________________________ M. C. MIGUEL ANGEL PEREZ TORRES.

SUPLENTE:

___________________________________ DRA. AMPARO BORJA DE LA ROSA.

SUPLENTE:

___________________________________ M. C. ROBERTO MACHUCA VELASCO.

CHAPINGO, MEX. DICIEMBRE DE 2003.

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DEDICATORIA. A MI DIOS.

A MIS PADRES

DON ALEJANDRO. DÑA. CARMINA.

A MIS HIJOS

JUAN Y BENJAMIN.

A MIS ESPOSA

ARELI.

A MIS HERMANOS.

ALEJANDRO AMBROSIO SERAFIN FRANCISCO ESTUARDO Y ELIAS.

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AGRADECIMIENTOS.

AL DR. LEONARDO SANCHES ROJAS POR SU VALIOSA ORIENTACIÓN EN LA ELABORACIÓN Y REVISIÓN DEL PRESENTE TRABAJO.

AL MC. ANGEL LEYVA OVALLE Y AL MC. MIGUEL ANGEL PEREZ TORRES POR SUS ORIENTACIONES Y ACERTADOS COMENTARIOS EN LA FORMULACIÓN DE ESTE TRABAJO.

AL MC. ROBERTO MACHUCA VELASCO Y LA DRA. AMPARO BORJA DE LA ROSA, POR SUS COMENTARIOS Y ORIENTACIONES ACERTADA EN LA FORMULACIÓN DE ESTE TRABAJO.

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RESUMEN. El presente trabajo se realizó con la finalidad de establecer las diferencias de calidad que presenta el carbón vegetal producido bajo un mismo sistema de producción, horno de “Colmena Brasileño”, a partir de diferentes posiciones y alturas dentro de este tipo de horno. Para lo cual se revisó la literatura existente y se entrevisto a productores de carbón vegetal con este sistema en la zona. Las muestras tomadas se recolectaron en la batería de hornos de colmena brasileño del “Ejido la Selva” del municipio de Huayacocotla, Veracruz. Las cuales fueron analizadas en la empresa productora y comercializadora de carbón vegetal “NORAM de México SA de CV” en el estado de Durango, así como en los laboratorios de “Anatomía de la Madera” de la División de Ciencias Forestales y de “Ecología” en el Departamento de Fitotecnia, ambos de la Universidad Autónoma Chapingo. Los análisis realizados al carbón vegetal producido y muestreado se refirieron a su densidad, poder calorífico, contenido porcentual de humedad, cenizas, material volátil y carbono fijo. Los resultados obtenidos del análisis fueron sometidos con el diseño estadístico de bloques completamente al azar, este diseño se caracterizó porque las muestras tomadas se agruparon en tres bloques completos (niveles), en cada uno de las cuales están representadas todos los tratamientos por ensayar. En este trabajo se observó una clara tendencia de variación en la calidad del carbón vegetal de encino en correspondencia con los niveles de producción del mismo, dicha tendencia es que, a mayor altura de generación del carbón vegetal de encino, mayores son los valores de poder calorífico y carbono fijo y menores los valores de densidad, humedad y volátiles. En contraste el nivel inferior presentó valores bajos de poder calorífico y carbono fijo y altos valores de densidad, humedad y volátiles. Lo antes descrito significa que la calidad del carbón vegetal producido en los niveles superior e intermedio en términos generales es de mejor calidad que el carbón obtenido a nivel de piso. Para el caso particular de los valores obtenidos de contenido porcentual de cenizas estos permanecieron constantes y sin ninguna tendencia es decir que no tuvo diferencias significativas en ninguno de los niveles.

Palabras clave: Quercus crassifolia H et B, Q. rugosa Née, Niveles, NORAM.

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SUMMARY. The present work was carried out with the purpose of establishing the differences of quality that it presents the vegetable charcoal maked under oneself production system, “Brazilian kiln", starting from different positions and levels inside this oven type. For that which the existent literature was revised and it was consulted to producer of turned in the topic of production of vegetable charcoal with this system in the zone. The taken samples were gathered in the Brazilian battery of kiln of the Ejido La Selva of the municipality of Huayacocotla, Veracruz. And they were analyzed in the company producer and wholesaler of vegetable charcoal NORAM de México SA de CV in the state of Durango, as well as in the laboratories Anatomia de la Madera of the División de Ciencias Forestales and of " Ecología " in the Departamento de Fitotecnia, both of the Universidad Autónoma Chapingo. The analyses carried out to the produced vegetable charcoal and tested were in their density, to be able to heating, percentual content of humidity, ashy, volatile material and fixed carbon. The obtained results of this analysis were subjected with the statistical design of complete blocks at random, this design you characterizes because the taken samples grouped in three complete blocks (levels), in each one of which are represented a single time all the treatments to rehearse. In this work one observes a obvious variation tendency in the quality of the vegetable charcoal of oak in correspondence with the levels of production of the same, this tendency it is that, to bigger height of generation of the vegetable charcoal of oak, bigger are the values of heating power and fixed and smaller carbon the values of density, humidity and volatile. In contrast the inferior level presents low values to be able to heating and carbon fixed and high values of density, humidity and volatile. Him before described it means that the quality of the vegetable charcoal produced in the levels superior and intermission in general terms is of better quality that the charcoal generated at floor level. For the case peculiar of the obtained values of percentual content of ashy these they remained constant and without any tendency that is to say that this didn't have significant differences in none of the levels.

Words key: Battery; Quercus crassifolia H et B, Q. rugosa Née, Levels, NORAM.

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INDICE. HOJA DE FIRMAS.

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DEDICATORIA.

ii

AGRADECIMIENTOS.

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RESUMEN.

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SUMMARY.

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1. INTRODUCCIÓN.

1

2. OBJETIVOS E HIPOTESIS.

2

2.1. OBJETIVOS.

2

2.1.1. OBJETIVO GENERAL.

2

2.1.2. OBJETIVOS PARTICULARES.

2

2.2 HIPÓTESIS. 3. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 3.1. ANTECEDENTES HISTÓRICOS.

2 3 3

3.2. FACTORES EXTERNOS QUE INFLUYEN EN LA CALIDAD DEL CARBÓN.

4

3.2.1. SISTEMA DE PRODUCCIÓN.

4

3.2.2. DISTRIBUCIÓN DE LA MADERA DENTRO DEL HORNO.

9

3.2.3. PRESIÓN.

9

3.2.4. ESPECIE.

10

3.2.4.1. COMPONENTES DE LA MADERA.

11

3.3.4.2. DENSIDAD DE LA MADERA.

11

3.2.5. CONTENIDO DE HUMEDAD DE LA MADERA.

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3.2.6. TEMPERATURA DE CARBONIZACIÓN.

13

3.2.7. TIEMPO DE CARBONIZACIÓN.

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3.3. PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DEL CARBÓN VEGETAL

15

3.3.1. DENSIDAD.

15

3.3.2. HUMEDAD.

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3.3.3. PODER CALORÍFICO.

18

3.3.4. CARBONO FIJO.

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vii

3.3.5. SUSTANCIAS VOLÁTILES.

19

3.3.6. CENIZAS.

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3.4. ESPECIFICACIONES Y NORMATIVIDAD PARA EXPORTACIÓN

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3.5. USOS DEL CARBÓN VEGETAL.

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3.5.1. CARBÓN PARA USO DOMESTICO.

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3.5.2. CARBÓN METALURGICO.

24

3.5.3. CARBÓN PARA GASOGENO.

26

3.5.4. CARBÓN ACTIVADO.

26

3.5.5. CARBÓN PARA LA INDUSTRIA QUÍMICA.

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3.5.6. OTROS USOS.

27

4. MATERIALES Y MÉTODOS.

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4.1. DISEÑO EXPERIMENTAL.

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4.2. FASE DE CAMPO.

28

4.2.1. UBICACIÓN DEL EJIDO LA SELVA.

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4.2.2. DESCRIPCIÓN DE LAS ESPECIES UTILIZADAS.

29

4.2.3. MUESTREO DEL CARBÓN VEGETAL PRODUCIDO.

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4.3. FASE DE LABORATORIO. (ANÁLISIS FÍSICO-QUÍMICO).

31

4.3.1. ANÁLISIS DE LAS PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS.

32

4.3.1.1. DENSIDAD.

32

4.3.1.2. HUMEDAD.

34

4.3.1.3. PODER CALORÍFICO.

36

4.3.1.4. VOLÁTILES.

39

4.3.1.5. CENIZAS.

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4.3.1.6. CARBONO FIJO.

41

4.4. LISTADO DE MATERIALES.

41

5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

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6. CONCLUSIONES.

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7. RECOMENDACIONES.

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8. BIBLIOGRAFÍA CITADA.

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9. ANEXOS.

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ANEXO 1. UBICACIÓN GEOGRÁFICA DEL EJIDO “LA SELVA”.

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ANEXO 2. DISEÑO DE MUESTREO SISTEMÁTICO.

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ANEXO 3. VALORES MEDIOS DE PARÁMETROS POR POSICIÓN.

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1. INTRODUCCION. El horno de ladrillo colmena brasileño, para producción de carbón vegetal, ha sido en últimos años muy utilizado en diversos puntos del mundo y México es uno de los países que a adoptado esta tecnología desde hace ya casi tres décadas. (Sánchez, 1996). De las innumerables ventajas con que cuenta este tipo de horno tanto en su construcción como operación, es la posibilidad de producir carbón vegetal que se adapta a diversos usos, como el doméstico, metalúrgico y para la producción de carbón activado, es decir, que con este horno se logra versatilidad en la calidad de carbón que se pretenda producir. (FAO, 1983). La calidad del 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. Dentro de las principales características que definen la calidad, se pueden considerar los contenidos porcentuales de: carbono fijo, material volátil, cenizas, contenido de humedad, densidad y poder calorífico (Pérez y Compean, 1989). El ejido de “La Selva” fue elegido para desarrollar esta investigación ya que es pionero en el país en la fabricación de carbón vegetal utilizando este sistema, además de ser uno de los centros de producción más constantes permaneciendo ininterrumpidamente activo desde sus inicios, además de ser accesible y cercano a la Universidad Autónoma Chapingo. Las especies presentes y destinadas a la producción de carbón en el ejido mencionado son Quercus crassifolia y Q. rugosa. Ante la diversidad de usos de que es objeto el carbón vegetal, es importante hacer estudios o evaluaciones, que determinen los valores o estándares de calidad que se logran con esta tecnología y demostrar como algunos factores externos afectan el desempeño y logro de valores de calidad dados, estos estudios deberán ser dirigidos a permitir mediante el conocimiento generado la mejor comprensión, control y aprovechamiento de esta tecnología, que redundará en el óptimo aprovechamiento de los recursos maderables destinados a la producción de carbón, además de adecuar la calidad generada a los reales requisitos de calidad del mercado y pudiendo, de este modo, minimizar costos que beneficien a los recursos forestales, productores y consumidores.

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2. OBJETIVOS E HIPOTESIS. 2.1. OBJETIVOS. 2.1.1. OBJETIVO GENERAL. •

Analizar la calidad del carbón vegetal de encino producido en horno de ladrillo tipo colmena brasileño ubicado en el ejido “La Selva” del municipio de Huayacocotla, Veracruz.

2.1.2. OBJETIVOS PARTICULARES. •

Evaluar el carbón vegetal producido de acuerdo a la posición dentro del horno.

•

Determinar las principales características físico-químicas del carbón vegetal que influyen en su calidad.

•

Con base en los datos obtenidos de la posición del carbón vegetal dentro del horno, analizar estadísticamente su posible influencia sobre la calidad del carbón.

2.2. HIPÓTESIS. La calidad del carbón vegetal producido en horno de “Colmena Brasileño”, depende en buen grado de la posición donde éste, sea producido, siendo que el carbón obtenido en las partes superiores es de calidad y el de la parte inferior no es de calidad.

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3. REVISION BIBLIOGRAFICA. 3.1. ANTECEDENTES HISTORICOS DE LA PRODUCCIÓN DE CARBÓN. La obtención del carbón vegetal, por combustión incompleta de la madera se remonta a los inicios de la civilización humana; quizá al día en que el hombre utilizó el fuego para sus usos domésticos. La preparación industrial del carbón vegetal por combustión en “muelas” y en fosas, es tan antigua como el uso de los metales, para cuya fabricación era indispensable (FAO, 1983). Desde entonces, los procedimientos de carbonización tuvieron pocas modificaciones hasta los tiempos modernos, debido a que únicamente el carbón era utilizable en los productos de destilación. El carbón de madera, hasta el descubrimiento de la hulla, fue el combustible y reductor por excelencia; aún hasta el año de 1800 se obtenía por combustión parcial, método utilizado casi exclusivamente por las fundiciones y las fraguas, que se establecían, por lo general, en las regiones boscosas. Los gruesos leños eran generalmente quemados para la calefacción de los hornos y las pequeñas ramas, parcialmente carbonizadas en muelas, para producir el carbón vegetal necesario para numerosas fabricaciones, en particular para la del hierro. (FAO, 1983). Después de 1800 los progresos de la química permitieron estudiar los productos de la destilación y realizar su utilización a escala industrial, por lo que se desarrollaron retortas que permitían la destilación de alquitranes y jugos piroleñosos y el carbón vegetal pasó a ser un producto secundario. (FAO, 1983). En México a partir de 1987 a la fecha, se han establecido hornos de ladrillo “Colmena Brasileño” para producción de carbón vegetal, en los cuales se han observado que se invierte menos de la mitad de tiempo y número de jornales en el proceso de producción de carbón vegetal; además de una mejor limpieza, carbón entero y con mayor cantidad de carbono fijo. (Sánchez, 1996). Delgado (1989), señala que en el estado de Veracruz, específicamente en el ejido “La Selva”, perteneciente al municipio de Huayacocotla, entre los años de 1987 y 1989 se realizaron construcciones de hornos de mampostería para producir carbón vegetal del tipo “Horno Colmena Modificado” o “Colmena Brasileño” (figura 1). Sánchez (1996), indica que el estado de Veracruz es pionero en la producción de carbón vegetal con este sistema, ya que se encuentra entre los estados que establecieron

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hornos fijos de ladrillo en el periodo 1987 a 1993, contando para ese entonces con dos empresas u organismos y nueve hornos “brasileños”.

Figura.1 Batería de hornos en el ejido “La Selva”, Huayacocotla, Veracruz. 3.2. FACTORES EXTERNOS QUE INFLUYEN EN LA CALIDAD DEL CARBÓN. Bravo (1995), dice que el sistema de producción, la distribución de la madera dentro del horno, presión, especie (componentes y densidad de la madera) contenido de humedad de la madera, temperatura de carbonización, y tiempo de carbonización, son factores externos que influyen en la calidad del carbón. 3.2.1. SISTEMA DE PRODUCCIÓN. Una de las formas más eficientes de elaborar carbón vegetal es en hornos de mampostería ya que la relación de elaboración de carbón a madera es de una tonelada de carbón producido por cada 4.5 m3 de leña de encino. (A la Torre, 1992). Siendo su eficiencia superior a la tradicional, dado que el aprovechamiento de la materia prima es más eficiente. (Morales, 1994). Sánchez (1996), menciona que el producir carbón vegetal en hornos fijos de ladrillo es una técnica sencilla que revoluciona el proceso de producción de carbón vegetal, haciéndolo eficiente y ventajoso en cuanto a rentabilidad y calidad del carbón producido, siempre que se utilice una organización adecuada de la producción. En el mismo sentido Marcos (1989), menciona que en las tecnologías semi-industriales (hornos de ladrillo y acero fundamentalmente), la habilidad del operario influye menos en la calidad de carbón producido, que lo que influye en tecnologías artesanales.

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Sánchez (1996), también indica que en la UAF No. 4 en Mascota, Jalisco en 1989, se realizó una comparación de tipos de hornos y que en los hornos fijos de ladrillo se invierte menos de la mitad de tiempo y número de jornales en el proceso de producción de carbón vegetal que en los tradicionales; además de una mejor limpieza, carbón entero y con mayor cantidad de carbono fijo. Valdivia y Sánchez (2002), reportan al horno tipo “Colmena Brasileño” como uno de los sistemas vistos en su viaje a la región carbonera de Huayacocotla, Veracruz y describen a este tipo de horno de forma circular con paredes de ladrillo de aproximadamente 40 cm. de espesor y la parte externa está totalmente en contacto con el aire. El techo está formado por un domo semicircular con una chimenea en la parte superior para el encendido, la base del domo está reforzada por un cinturón de acero para evitar que se abra y se desplome. Con este cinturón de acero se consigue que el peso del domo se transfiera uniformemente a la pared del horno. Algunas medidas y detalles de los hornos vistos, los mismos autores (Valdivia y Sánchez, 2002), se muestran en la figura 2 y cuadro 1, tomados de FAO (1983).

Figura. 2. Detalles del horno Colmena Brasileño, fuente: FAO (1983).

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Cuadro 1. Medidas y características de un horno de colmena brasileño. Diámetro del horno. Volumen nominal del horno. Volumen efectivo del horno. No de bocas de aire. No de chimeneas. No de foros de salida. No de foros de salida de emergencia. Cantidad de ladrillos necesarios. Tiempo de carbonización. Producción por ciclo. Vida útil. Sup. Necesaria para una batería de 7 hornos. Fuente: FAO (1983).

5 m. 48.94 m3 45.31 m3 18 6 6 50 8500 9 días 5 ton. 6 años. 70 m X 25m.

Patiño y Pezet (1989), refieren que el horno de colmena brasileño presenta una serie de ventajas: los gases pasan a través de la carga de madera y ayudan parcialmente al proceso de secado, ahorrando combustible; permiten buenos rendimientos de hasta 62 % en volumen, es de bajo costo y fácil construcción y en función al manejo que se le de, puede lograrse una vida útil de por lo menos 6 años. La operación y funcionamiento del sistema descrito es detallado en FAO (1983), con una rutina que en general puede seguirse con los siguientes lineamientos. 1. Cerrar la puerta de descarga, usando sólo barro para ligar los ladrillos; no emplear argamasa que dificultaría la apertura sucesiva y con el resultado de una pérdida casi total de ladrillos. 2. Apilar la leña larga por sus extremos, distribuyendo con cuidado primero la leña más chica y delgada a lo largo de las paredes del horno y luego hacia el centro, la leña de mayor grosor. La madera deberá preferentemente tener sus puntas cortadas en bisel para facilitar la circulación de los gases. Es especialmente importante cortar en ángulo las puntas de las maderas más gruesas. 3. Rellenar con cuidado los espacios entre la leña, para eliminar espacios abiertos, huecos o cualquier falla, a medida que la madera es apilada, esta operación puede llamarse, rellenado o emparejado. Esta operación es mejor conocida como apilado. 4. Arriba de la leña apilada verticalmente, la leña debe ser apilada en una posición horizontal debajo del domo del horno, comenzando de nuevo con la madera fina cerca de

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las paredes y la madera gruesa hacia el centro. Rellenar con cuidado todos los espacios libres. 5. Cerca de la boca de encendido, en la cumbre del domo, apilar madera que sea fácil de encender para facilitar el inicio de la carbonización. 6. Una vez que se ha llenado el interior del horno, se cierran las puertas de carga y descarga del horno usando barro corriente para asentar los ladrillos. Una vez que la carbonera se ha cargado y encendido con todas las aperturas abiertas, se inicia la carbonización. A esta operación normalmente se le llama, quema del combustible leñoso y consiste en: a).

Encender el horno, agregando una palada de carbón encendido por la boca

de ignición, para que la leña se encienda, las brazas de carbón pueden ser substituidas por gasolina, kerosén, diesel, gasóleo, etc. Para encender el horno no usar ninguna otra abertura. b).

Cuando se inicia la combustión, saldrá humo por la boca de ignición;

primero de color blanco, volviéndose más oscuro algunos minutos más tarde. Posteriormente, cuando el humo ha adquirido un color oscuro es señal de que la leña se ha encendido por lo tanto se debe cerrar la boca de ignición con ladrillo y barro. c).

Después de cerrar la boca de ignición, el humo comenzará a salir de las

aberturas en la cúpula o domo de igual manera el humo inicialmente será blanco, y gradualmente tornándose azul, cuando esto sucede, es una señal que la zona de carbonización se está ampliando y se deberá cerrar estas aberturas. d).

Cuando se han cerrado las aberturas del domo, las chimeneas comienzan a

funcionar (lo que puede suceder también antes de que se hayan cerrado), cuando las cuatro chimeneas están funcionando normalmente, se cierran las aberturas de seguridad y se dejan abiertas las de entrada de aire al pie del horno. e).

El fogonero observará el color del humo, cuando el humo es blanco, gris-

blanco o algo sucio, significa que el proceso está desarrollándose, una vez que el humo de la chimenea comienza a ponerse azul, deberán cerrarse las troneras a cada lado de la chimenea.

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f).

Generalmente el humo no se pone azulado simultáneamente en todas las

chimeneas, por tanto es necesario cerrar las troneras en donde el humo haya tomado esta coloración. g).

Las chimeneas pueden continuar sacando humo durante muchas horas

después del cierre de las troneras, en tal caso no debe permitirse que se cierren las chimeneas, puesto que el resultado sería la producción de una gran cantidad de tizones (material semi carbonizado) cerca de las chimeneas. Las chimeneas tienen que cerrarse solamente cuando terminan de echar humo. h).

La carbonización ha concluido cuando todas las aberturas y chimeneas están

cerradas y ha cesado completamente la emisión de humo; el horno puede ser recubierto con barro diluido y dejar que se enfríe. Cualquier grieta debe ser sellada con cuidado, puesto que toda infiltración de aire desarrollaría fuegos en el carbón vegetal. i).

Puede acelerarse el enfriamiento del horno por medio de pulverizaciones de

agua a través de la boca de encendido o por las troneras, después de haberse dejado el tiempo suficiente para que la mayor parte de carbón vegetal producido esté apagado y semifrio. j).

El viento puede interferir con el funcionamiento de los hornos. Como

protección contra el viento, las aperturas orientadas en su dirección deben ser parcialmente o en algunos casos, totalmente cerradas. También las chimeneas necesitan protección para desviar el viento de sus cabeceras, puesto que interfiere con la descarga del humo y por consecuencia con la carbonización. 7. La descarga del horno debe iniciarse sólo cuando se ha enfriado suficientemente. Teóricamente, la temperatura ideal del momento para abrir el horno y empezar la descarga es de 60 °C (140 °F); en la práctica, es el fogonero quien estima la temperatura, sintiendo a mano los ladrillos que cierran las aperturas de carga y de descarga. Nunca debe abrirse un horno que no está suficientemente frío; si no se sigue esta norma, muy seguramente se iniciará un fuego en el carbón vegetal. Si se apaga inmediatamente con agua, el resultado puede ser carbonilla en polvo, o sea un desperdicio. Antes de abrir una carbonera, un elemento indispensable de precaución es de disponer de abundante agua cerca de la puerta de descarga para usarla en caso de emergencia, por ejemplo, una extensión de caños de agua, tambor de agua, etc.

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8. Posteriormente, una vez equilibrada la humedad con el medio ambiente el carbón vegetal producido se transporta directamente al almacén, para clasificarlo o embolsarlo según sea el caso. 3.2.2. DISTRIBUCION DE LA MADERA DENTRO DEL HORNO. Inoue (1996), indica que la calidad del carbón vegetal producido en horno de carbón japonés, se puede saber por la ubicación en que estuvo en el horno, presentándose en la parte frontal y posterior a la puerta de entrada baja y buena calidad respectivamente. Así mismo la calidad del carbón vegetal se puede saber por la posición en que estuvo en el horno; la parte superior y la intermedia pueden ser vendidas al mismo precio, mientras que la parte inferior o la de abajo, tiene que ser vendida a un precio menor por no ser de calidad. La división en la calidad de carbón (buena hacia arriba y mala hacia abajo) no es por el horno, sino que se debe a una reacción química en el proceso de la materia. (Más temperatura hacia arriba, más humedad hacia abajo, etc.). Valdivia y Sánchez (2002), en su reporte hacen importante mención de la práctica que se sigue del acomodo o armado de la leña dentro del horno colmena brasileño y mencionan que al iniciar el acomodo de la leña primeramente se realiza un entarimado con una serie de túneles o canales de conducción de aire de las bocas hacia la parte céntrica en el piso del horno; por esta razón las piezas de madera deben quedar bien acomodadas y no permitir su movimiento, de lo contrario obstruirán la circulación y limitará la carbonización de dicha zona. Posteriormente al entarimado descrito se acomodan las trozas primeramente en sentido vertical acomodando la leña más chica y delgada a lo largo de las paredes del horno y luego hacia el centro, la leña de mayor grosor y encima de esta primer capa vertical se coloca otra capa en sentido horizontal y nuevamente se repite hasta cubrir totalmente el horno. Esto es importante de resaltar porque el armado del horno japonés anteriormente descrito es igual a éste. 3.2.3. PRESION. Bravo (1995), menciona como factor importante de la calidad del carbón vegetal producido la presión causada por la madera carbonizada de la parte superior que afecta la calidad del carbón vegetal obtenido en la parte inferior.

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Si durante el proceso de carbonización la madera ha soportado grandes presiones, el carbón vegetal obtenido presenta mayor densidad. Por esta razón en los hornos de ladrillo y metálicos el carbón de la parte baja del horno puede ser más denso que en las zonas superiores. (Marcos, 1989). 3.2.4. ESPECIE. La especie de madera influye por la concentración de componentes que la constituyen (celulosa, hemicelulosa y lignina) y por su densidad. Con iguales tecnologías la especie de madera influye en el carbón vegetal obtenido de forma sencilla; especies vegetales con mayores contenidos de carbono provocan carbones con más carbono fijo y de mayor poder calorífico (Marcos, 1989). En general, con madera de frondosas, de coníferas y de palmeras puede obtenerse un buen carbón vegetal. Sin embargo, la madera de coníferas es por lo general menos densa que la de frondosas, y por consiguiente da un carbón más ligero. (Earl, 1975). El rendimiento del carbón vegetal muestra también cierta variación con respecto al tipo de madera, ya que el contenido de lignina en la madera tiene un efecto positivo sobre el rendimiento del carbón. Una madera densa tiende también a dar un carbón vegetal denso y fuerte, lo que es también deseable. Sin embargo, madera muy densa produce a veces carbón quebradizo puesto que la madera tiende a desmenuzarse durante la carbonización. (FAO, 1983). Según, Sánchez (1996) y Sánchez y Fajardo (1989), el encino (Quercus spp), es la clase de madera más utilizada en México para hacer carbón vegetal, esto es justificado dado que por su dureza, mala conformación, problemas de secado y la existencia de grandes volúmenes no aprovechados en México, lo ofrecen como una buena alternativa para obtener ingresos en la economía de algunos sectores asociados al bosque. (Morales, 1994). La necesidad de darle mayor utilidad a los encinos que se encuentran formando el género vegetal más abundante en el país, después del género Pinus (pino), es ya impostergable, ya que al dejársele de utilizar no sólo no se obtienen ingresos y empleos, sino que está siendo un problema de manejo del recurso forestal, sobre todo en los bosques en donde se encuentra mezclado con el pino. (Sánchez y Fajardo, 1989).

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Sánchez y Vega (1995), mencionan como fuentes de materia prima para la Región Sur, en donde esta incluido el estado de Veracruz, tres especies de encino los cuales son Quercus castanea, (Roble), Q. crassifolia. (Quebracho) Y Q. laurina. (Encino laurelillo). 3.2.4.1. COMPONENTES DE LA MADERA. La madera consiste de tres componentes principales: celulosa, lignina y agua. La celulosa, la lignina y algunas otras materias como holocelulosas están fuertemente ligadas entre sí y constituyen el material denominado madera. (Bravo, 1995). Echenique (1991), al referirse a los componentes de la madera, empieza por describir que la madera como toda sustancia viva, está formada por multitud de pequeñas unidades individuales cementadas entre sí llamadas células. Las células de la madera son tubulares, de forma aproximadamente rectangular. Su longitud no suele exceder de unos 5 mm y su dimensión transversal máxima, de unos 70 micrómetros. Las paredes de las células están formadas por varias capas de celulosa y lignina principalmente, con un espesor total de 1 a 5 micrómetros. La celulosa es un polímero lineal cuyas moléculas forman cadena. Constituye el esqueleto o estructura de las paredes de las células. La lignina actúa como un cementante que liga los elementos de la estructura de celulosa y rigidiza el conjunto. Del 60 al 70 % de la madera corresponde a celulosa. La lignina se encuentra en proporciones de 15 a 35 %. Un análisis químico típico de la madera indicaría la siguiente composición: carbono: 50 %, hidrógeno: 6 %, oxígeno: 43 %, otros elementos: 1 %. Algunos componentes de la madera tienen mayor o menor influencia en el desarrollo de la carbonización y en la obtención de productos de la misma. Así por ejemplo, a mayor contenido de holocelulosa se incrementan la producción de destilados y el rendimiento de carbón disminuye. Por el contrario la presencia de lignina incrementa la obtención de carbón. (Bravo, 1995 y FAO, 1983). 3.2.4.2. DENSIDAD DE LA MADERA. El peso de un cuerpo puede definirse como el producto de su masa por la aceleración de la gravedad en el sitio donde se hace la medición. Para referirse a la densidad se aplica la relación peso por unidad de volumen y generalmente se expresa en g/cm3. La densidad real de la madera independientemente de la especie es del orden de 1.5

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g/cm3. Para casos prácticos es común obtener los valores de la densidad básica, ésta, es una forma de obtener para cada especie la densidad de la madera en sus condiciones reales de porosidad con la máxima humedad posible (Echenique, 1991). La densidad de la madera influye en la densidad del carbón vegetal producido a partir de ella, ya que a mayor densidad en la materia prima se obtendrá mayor densidad en el producto. (Bravo, 1995). Patiño y Pezet (1992), indican que la densidad básica relacionada con el peso de la madera y el grosor de la corteza son factores que influyen en el proceso e inciden en el nivel de producción y en su duración. Así mismo dice que a mayor densidad básica corresponde una mayor producción de carbón y éste, presenta mejores características de calidad, mayor peso y durabilidad durante la combustión. También dice que la corteza de los troncos influye en la duración del proceso ya que entre más gruesa sea, se necesita más tiempo para quemarla y permitir que el frente de carbonización llegue a la madera. 3.2.5. CONTENIDO DE HUMEDAD DE LA MADERA. La humedad de la madera influye decisivamente en el poder calorífico, afectando el balance térmico. (Bravo, 1995). La influencia de la humedad en el valor calórico de la madera puede calcularse a partir de una sencilla fórmula (FAO, 1983): Valor calórico neto = 19.000 - 220 M en (kj /Kg) Donde M es el contenido de humedad en porcentaje del peso total Y kj /Kg es la unidad de medida. Marcos (1989), indica que generalmente la humedad de la madera influye mucho más en el rendimiento del carbón vegetal obtenido que la especie de la madera de la que se obtiene el mismo. Es decir, a mayor humedad de la madera menor rendimiento en carbón La FAO (1983), menciona que el agua es absorbida o retenida como moléculas de agua en la estructura celulosa/lignina. Y que la madera secada al aire o "estacionada" contiene todavía 12-18 % de agua, en contraste la madera en crecimiento recientemente cortada o "no estacionada", contiene además agua líquida llevando el contenido total de agua a alrededor del 40-100 %, expresado en porcentaje del peso de la madera seca al horno.

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Patiño y Pezet (1992) y Morales (1994), señalan que el rendimiento en hornos de tipo colmena brasileño varía al usar madera seca y verde dando rendimientos de 17.8 y 15.9 % en peso respectivamente. Además de que la humedad afecta al proceso de carbonización, ya que la duración de éste, varía de 6 a 7 días para madera seca y 8 a 9 para madera verde. FAO (1983), indica que antes de que la carbonización ocurra, el agua en la madera debe ser totalmente eliminada como vapor por lo que se necesita una gran cantidad de energía para evaporar el agua, por lo que es recomendable usar lo más posible al sol para el presecado de la madera antes de la carbonización, de este modo se mejora mucho la eficiencia. El agua que queda en la madera que tiene que ser carbonizada, deberá ser evaporada en la fosa o en el horno, y esta energía deberá proporcionarse quemando parte de la misma madera, que podría ser transformada en carbón vegetal aprovechable. Patiño y Pezet (1992), en el mismo sentido abunda que a mayor cantidad de humedad se requiere un tiempo mayor del proceso para extraer el agua de la madera e iniciar el proceso de pirólisis. 3.2.6. TEMPERATURA DE CARBONIZACIÓN. Con temperaturas cada vez mayores el rendimiento del carbón vegetal disminuye rápidamente, pero también su composición química cambia incrementándose hasta casi carbono puro. Con temperaturas altas, se tienen más altos contenidos de carbono fijo y por ende mejor calidad, pero con detrimento de bajos rendimientos. (Bravo, 1995). La FAO (1983), describe que a 400 °C el carbón contiene todavía apreciables cantidades de residuos alquitranosos, junto con las cenizas de la madera original. El contenido de cenizas en el carbón es de alrededor del 30 % en peso, y el balance es carbono fijo, alrededor del 67-70 %. A temperatura de 450 – 500 °C ofrece un equilibrio óptimo entre friabilidad y el deseo de un elevado contenido de carbono fijo. Un posterior calentamiento aumenta el contenido de carbono fijo, eliminando y descomponiendo aún más los alquitranes. A una temperatura de 500 °C da un contenido típico de carbono fijo de alrededor del 85 % y de materia volátil de cerca del 10 %, el rendimiento del carbón es de aproximadamente el 33 % del peso de la madera secada al horno carbonizada, sin contar la madera que ha sido quemada para carbonizar el remanente. Por lo tanto, el rendimiento teórico del carbón vegetal y su calidad varían con la temperatura de carbonización, debido al cambio de contenido de material volátil alquitranado. FAO (1983), indica que “la

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friabilidad del carbón aumenta con el incremento de la temperatura de carbonización y el contenido de carbono fijo aumenta mientras que el contenido de substancias volátiles decrece”. En contraste la misma fuente (FAO, 1983), indica también que: bajas temperaturas de carbonización dan un mayor rendimiento en carbón vegetal, pero de baja calidad, es corrosivo por contener alquitranes ácidos y no quema con una flama limpia sin humo. Un buen carbón vegetal comercial para uso domestico debería contener carbono fijo en alrededor del 75 %, para lo cual se requiere una temperatura final de carbonización de alrededor de 500 °C. A bajas temperaturas (300 °C) es posible un rendimiento en carbón de casi el 50 %, con temperaturas de carbonización de 500-600 °C los volátiles son escasos y son típicos los rendimientos del 30 % en la carbonera. Por su parte Marcos (1989), señala que la higroscopicidad (capacidad de absorber humedad del ambiente) aumenta cuando la temperatura de carbonización es baja. 3.2.7. TIEMPO DE CARBONIZACION. Morales (1994), indica que al usar madera seca y verde se afecta el proceso de carbonización, ya que la duración del proceso fue de 6 a 7 días para madera seca y 8 a 9 para madera verde. Por su parte Valdivia y Sánchez (2002), reportaron datos para este tipo de hornos en la zona carbonera de Huayacocotla, Veracruz, específicamente en los hornos del ejido “La Selva” y de un particular del mismo ejido, de una duración de 13 y 15 días respectivamente para llevar acabo el proceso de carboneo desde la carga hasta la descarga. La fase de carbonización puede ser decisiva en la fabricación de carbón vegetal, si bien no se trata de la más costosa. A menos que se complete lo más eficientemente posible, puede crear un riesgo para la operación global de la producción de carbón vegetal, puesto que los bajos rendimientos en la carbonización repercuten a lo largo de toda la cadena de producción, aumentando los costos y desperdicio de los recursos. (FAO, 1983) Es importante lo que sucede con diferentes tiempos de carbonización en combinación de la temperatura a la cual se produce el carbón vegetal, esto es porque afecta la calidad del carbón vegetal producido cuando la carbonización es prolongada y la temperatura es elevada dando un contenido de volátiles bajo. Cuando la temperatura de

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carbonización es baja y el período en el horno es breve, entonces el contenido de sustancia volátil aumenta. (FAO, 1983). 3.3. PROPIEDADES FISICO-QUIMICAS DEL CARBÓN VEGETAL. Para apreciar los usos y calidad del carbón vegetal es preciso conocer sus propiedades físicas y químicas, ya que dicha calidad se define según algunas de sus propiedades y, si bien, todas en cierto modo están interrelacionadas, se miden y se valúan por separado. (FAO, 1983). Dentro de las principales características que definen la calidad y el uso del carbón vegetal, se pueden considerar los contenidos porcentuales de: carbono fijo, material volátil, cenizas, contenido de humedad, rendimiento leña-carbón, densidad y poder calorífico (Pérez y Compean, 1989 y Sánchez, 1996). En su sentido más amplio, la calidad del carbón puede especificarse y medirse en varias formas derivadas generalmente de los requisitos para las diversas aplicaciones finales. (Pérez y Compean, 1989). La mayoría de las propiedades físico-químicas usadas para controlar la calidad del carbón vegetal se han originado en la industria del acero o química. Cuando el carbón vegetal se exporta, los compradores tienden a usar estas mismas especificaciones de calidad industrial. (FAO, 1983). 3.3.1. DENSIDAD. En sentido estricto se define como densidad a la magnitud física que representa la relación entre la masa del carbón vegetal y el volumen que ocupa. (Aldana, 2002). La densidad del carbón vegetal es una propiedad física importante, ya que densidades altas suponen a igualdad de peso, volúmenes pequeños y por tanto, una disminución de costos a la hora de su transporte. Además, en el uso industrial se buscan carbones densos, ya que producen, a igualdad de volumen, mayor número de calorías en su combustión. (Marcos, 1989). La densidad del carbón vegetal depende fundamentalmente de la densidad de la madera utilizada para su obtención. Presentándose en general, que la densidad de las frondosas es mayor que la de las coníferas; siendo también directamente proporcional a la densidad en seco de la materia prima. (Marcos, 1989)

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El carbón vegetal obtenido a baja temperatura suele ser más denso que el que se obtiene a alta temperatura porque las sustancias volátiles disminuyen progresivamente a medida que aumenta la temperatura máxima de carbonización (Earl, 1975 y Marcos, 1989). Los valores medios de densidad aparente, es decir: Peso/ (volumen de carbón + volumen de poros de aire existentes en el carbón) son de 0.17 Kg /dm3 a 0.50 Kg /dm3. (Marcos, 1989). La densidad real, es decir, peso/volumen de carbón sin huecos de aire toma valores de 1.300 Kg /dm3 y está influenciado fundamentalmente por la densidad de la madera origen, de dicho carbón. Algunos autores señalan densidades reales más altas pero que corresponden a temperaturas de carbonización de 1600 °C, que no se emplean en los procesos de carbonización más usuales. Así Marcos (1989), señala las siguientes densidades reales en función de la temperatura presentada en el cuadro 2: Cuadro 2. Relación entre la temperatura de carbonización y la densidad real del carbón. Temperatura de carbonización Densidad real. °C. Kg /dm3. 1500 150 1500 240 1400 270 2000 1600 Fuente: Marcos, (1989). 3.3.2. HUMEDAD. Aldana (2002), define la humedad en el carbón vegetal como la cantidad de agua o de otros líquidos impregnados o contenidos en el carbón. Así mismo Pérez y Compean (1989), la definen como la relación porcentual existente entre la diferencia de pesos del carbón vegetal (seco y húmedo) sobre el peso seco del mismo. Por su parte la FAO (1983) y Pérez y Compean (1989), comparten la opinión que la humedad es un adulterante que baja el valor calorífico o de calefacción del carbón vegetal. Marcos (1989), clasifica con tres tipos de saturación al carbón vegetal de acuerdo a sus porcentajes de humedad, como: carbón vegetal seco al aire si su humedad esta entre 4 y 9.5 % (en base húmeda), carbón vegetal húmedo si ésta entre 10 y 15 % y mojado si su humedad es mayor del 15 %. A la Torre (1992), indica que la humedad desaparece con el proceso de carbonización y que el grado de humedad depende, naturalmente, de las condiciones

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meteorológicas y del tipo de las instalaciones de almacenamiento. A condición de que el carbón vegetal no esté en contacto directo con el agua, rara vez alcanzará una humedad superior al 5 por ciento; para fines industriales se considera deseable que la humedad sea inferior al 4 por ciento. Por su parte la FAO (1983) y Pérez y Compean (1989), comparten la opinión de que 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 de 0 al 15 % ó más. Marcos (1989), indica que la humedad de equilibrio higroscópico para la madera es muy importante, siéndolo menos en carbón vegetal por ser éste, mucho menos higroscópico que aquella. Es evidente que el carbón vegetal con un elevado contenido de humedad (10 % ó más) tiende a desmenuzarse y produce cisco cuando se calienta en las fundiciones, lo que no es deseable en la producción de hierro. (FAO, 1983). La humedad del carbón vegetal como la de la madera puede referirse a base húmeda (h) o a base seca (h´). Según las formulas siguientes (Marcos, 1989): h= (Ph-Po)/Ph.

h´= (Ph-Po)/Po.

Donde Ph = Peso húmedo. Po = Peso seco, obtenido después de un secado en estufa en 100 ±3°, hasta que dos pesadas consecutivas sean iguales. Los valores de h son siempre menores o iguales a los de h´, ya que siempre Ph es mayor o igual que Po. Únicamente son iguales cuando Ph = Po es decir, al cero por ciento de humedad. La relación entre ambas es: h= (1)/1+h´.

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3.3.3. PODER CALORIFICO. Se define como poder calorífico la cantidad de energía que desprende por unidad de masa un combustible al quemarse; en sentido estricto deben diferenciarse los conceptos de poder calorífico superior (si los gases de la combustión se recogen condensados) y el poder calorífico inferior (si los gases de la combustión se escapan como tales). Se mide en julios/Kg o Kcal /Kg. El valor calorífico del carbón vegetal es prácticamente equivalente al del carbono. La medida que da un calorímetro de bomba se considera como un indicador suficiente. (Marcos, 1989). El poder calorífico de un combustible depende fundamentalmente de su composición química. A mayor contenido de carbono mayor es el poder calorífico. También depende de la humedad, a mayor humedad menor es la cantidad de materia combustible y mayor es el calor invertido en evaporar el agua por lo que el poder calorífico es menor. (Marcos, 1989). Del carbón vegetal con un elevado contenido de sustancias volátiles cabe esperar un valor calorífico ligeramente superior en comparación con un carbón vegetal que tenga un alto contenido fijo de carbono, y es debido a la diferencia que existe entre las calorías obtenidas del carbono y del hidrógeno. (Earl, 1975). Cordero Alcántara y et al. (1987), citado por Marcos (1989), señalan que para temperaturas comprendidas entre 450 y 600 °C el poder calorífico está alrededor de 7500 Kcal /Kg. Marcos (1989), señala que el poder calorífico del carbón es mayor que el de la madera y ésta, es una de las principales razones por lo que la madera es carbonizada. La razón fundamental de esta diferencia es que en el carbón vegetal el porcentaje de carbono es más alto que en la madera. Por lo que existe una relación directamente proporcional entre el contenido de carbono logrado y el poder calorífico resultante. Así mismo, compara entre la madera y el carbón vegetal señalando que éste desprende a igualdad de peso más calor que la madera cuando se quema, ya que su poder calorífico es mayor. El poder calorífico en promedio del carbón vegetal es de 7000 Kcal /Kg y el de la madera oscila entre los 3500 y 4000 Kcal /Kg.

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3.3.4. CARBONO FIJO. Pérez y Compean (1989), dice que el carbono fijo puede definirse como la cantidad de carbono elemental que contiene un material de prueba. En el mismo sentido Marcos (1989), dice que el carbón vegetal tiene mayor contenido en carbono que la madera, por lo que su poder calorífico es mayor y es mejor combustible que ésta; y que su contenido depende principalmente de las condiciones de carbonización y en menor grado de la cantidad de carbono que contiene la carga original de madera. Con una carbonización lenta y a alta temperatura se eliminará casi todas las sustancias volátiles y entonces el contenido fijo de carbono es alto (del 90 % aproximadamente); la carbonización rápida y a baja temperatura dará un carbón vegetal con más sustancias volátiles, y por consiguiente, con un menor contenido fijo de carbono. El contenido de carbono de la madera es aproximadamente del 50 % de su peso en seco, pero el contenido final del carbón vegetal suele ser del 20 % al 40 % del peso en seco de la madera original, lo que indica que parte del carbono es inevitablemente oxidado, y se pierde en el proceso de carbonización. El contenido de carbono fijo en el carbón vegetal varía desde un mínimo del 50 % hasta uno elevado del 95 %, en cuyo caso el carbón vegetal consiste principalmente en carbono. El contenido de carbono fijo es el componente más importante en metalurgia, puesto que el carbono fijo es el responsable de la reducción de los óxidos de hierro en el hierro fundido durante su producción. Pero el usuario industrial, para obtener una operación óptima de fundición, debe encontrar un balance entre el carácter quebradizo de un carbón vegetal con elevado contenido de carbono fijo y la mayor fuerza de un carbón vegetal con un contenido inferior en carbono fijo, y superior en materia volátil. (FAO, 1983 y Pérez y Compean, 1989). Por su parte Bravo (1995), comenta que las mejores calidades del carbón vegetal se tienen con los más altos contenidos de carbono fijo. 3.3.5. SUSTANCIAS VOLÁTILES. La materia volátil en el carbón vegetal comprende todos los residuos líquidos y alquitranosos que no fueron eliminados completamente durante el proceso de carbonización. (FAO, 1983). Earl (1975), define a los volátiles como la pérdida de peso sin contar la que se debe a la humedad que sobreviene cuando el carbón vegetal se calienta durante siete minutos a la

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temperatura de 900 °C, sin contacto con el aire. Las sustancias volátiles del carbón vegetal desaparecen antes de que empiece la oxidación del carbón y están compuestos principalmente de hidrocarburos y de algo de nitrógeno. No hay indicios de que exista una correlación entre el porcentaje de sustancias volátiles y la especie de madera utilizada. Para usos domésticos y en la industria del cemento se prefiere con porcentajes altos de hasta el 25 %. La FAO (1983), indica que la sustancia volátil en el carbón vegetal puede variar desde un tope del 40 %, ó más, hasta un 5 %, ó menos. Y Earl (1975), complementa en ese sentido que ésta, varía en proporción inversa a la temperatura de carbonización. Marcos (1989), dice que los productos volátiles se forman principalmente a partir de la celulosa y las hemicelulosas, que no producen nada más que del 8 al 15 % del carbón vegetal. Marcos (1989), comenta que la velocidad de calentamiento de la carga a carbonizar induce la conversión del combustible en productos volátiles. Por su parte Pérez y Compean (1989), comentan que el contenido de materia volátil deja entrever básicamente el tiempo expuesto de la leña para su conversión en carbón, dicho de otra forma, cuando la temperatura de carbonización es alta y prolongado el tiempo de exposición, el contenido de volátiles es bajo; caso contrario sucede cuando la temperatura de carbonización es baja y el periodo en el horno es breve. Del mismo tópico al respecto la FAO (1983), señala que cuando la carbonización es prolongada y a alta temperatura, el contenido de volátiles es entonces bajo y cuando la temperatura de carbonización es baja y el período en el horno es breve, entonces el contenido de sustancia volátil aumenta. Y Bravo (1995), llama la atención a que debe tenerse en cuenta que los más bajos contenidos de volátiles en los carbones es indicativo de mejor calidad. El carbón vegetal puede reabsorber los alquitranes y los ácidos piroleñosos con el lavado. Por ello, el carbón vegetal puede ser bien quemado pero, por este motivo, tener un elevado contenido de sustancia volátil. Los ácidos reabsorbidos hacen que el carbón se vuelva corrosivo, provocando la descomposición de las bolsas de yute, lo que es un problema durante el transporte; y además, no tiene una combustión limpia. (FAO, 1983). Pérez y Compean (1989), comentan que el carbón vegetal con mucha materia volátil se enciende fácilmente pero al quemar produce humo. En cambio la FAO (1983), abunda al respecto y comenta que el carbón vegetal de pocos volátiles tiene dificultades al encenderse

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y su combustión es muy limpia. Un buen carbón vegetal comercial puede tener un contenido de sustancia volátil neta (libre de humedad) del 30 % aproximadamente. El carbón con mucha sustancia volátil es menos quebradizo que el carbón común de fuerte combustión con poco volátil por lo que produce menos cisco durante el transporte y los manipuleos. Es también más higroscópico y tiene por lo tanto un mayor contenido de humedad natural. 3.3.6. CENIZAS. Marcos (1989) y Earl (1975), comparten la opinión de que el contenido de cenizas, es directamente proporcional a la cantidad de materia inorgánica de la madera original y es lo que quedaría si la carga de madera fuera incinerada a peso constante. Las cenizas constan de una fracción soluble y una insoluble; la parte insoluble inorgánica, constituida principalmente de sílice, no afecta normalmente a cualquier proceso industrial más que por la perdida de valor calorífico que representa, en cambio los constituyentes solubles inorgánicos pueden presentar problemas para ciertos procedimientos industriales, en cuyo caso el usuario puede estipular que el carbón vegetal tenga un contenido máximo de cenizas. Entre diferentes partes de un árbol se encuentran pocas diferencias en el contenido de cenizas, pero por lo general, la corteza carbonizada tiene un porcentaje muy alto. Por lo que el carbón vegetal producido con corteza por contener alto contenido de cenizas no serviría para la industria del cemento. (Earl, 1975). Las cenizas se determinan calentando una muestra, por peso, hasta el color rojo con acceso de aire para quemar completamente toda la sustancia combustible, quedando un residuo denominado ceniza. Se trata de substancias minerales, como la arcilla, sílice y óxidos de calcio y de magnesio. (FAO, 1983). La FAO (1983) y Pérez y Compean (1989), comparten el comentario de que el contenido de cenizas en el carbón vegetal varía desde alrededor del 0.5 % a más del 5 %, dependiendo de la especie de madera, la cantidad de corteza incluida con la madera en el horno y la cantidad de contaminación con tierra y arena. Típicamente, un pedazo de buen carbón vegetal tiene un contenido de cenizas de alrededor del 3 %.

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3.4. ESPECIFICACIONES Y NORMATIVIDAD EN LA CALIDAD DEL CARBÓN VEGETAL. Sánchez (1997), expone que la calidad del carbón vegetal en México presenta variación, prefiriéndose para el consumo nacional con características a simple vista, como: pesado, que no esté húmedo, no se resquebraje fácilmente, tenga brillo, no despida humos, dure suficiente tiempo encendido y que tenga un tamaño aceptable, además de la especie o tipo de madera. Luego prosigue y expone que, para exportación se deben cumplir ciertos requerimientos de los países compradores, ya que existen estándares y normas que regulan su calidad, agrupándose generalmente en bloques o mercados regionales, tales como: Asiático, Europeo y de América del Norte. Las especificaciones requeridas se presentan en el Cuadro 3. Cuadro 3. Requisitos de calidad del carbón vegetal para exportación. PROPIEDAD. PORCENTAJE (%). Humedad. Ceniza Mínima. Ceniza Máxima. Materia volátil mínimo. Materia volátil máximo. Carbono fijo mínimo. Carbono fijo máximo. Fuente: Sánchez (1997).

7-8 5 6 10 12 75 82

En mercado Alemán (HIBA, 1986), especifica cuales valores de humedad, cenizas, material volátil y carbono fijo se requieren para cumplir con los requerimientos de éste (Cuadro 4). Cuadro 4. Requisitos de calidad del carbón vegetal para exportación a Alemania. PROPIEDAD. PORCENTAJE (%). Humedad. Ceniza Mínima. Ceniza Máxima. Materia volátil mínimo. Materia volátil máximo. Carbono fijo mínimo. Carbono fijo máximo. Fuente: HIBA (1986).

7.14 3.73 4.02 14.66 15.79 74.47 80.19

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FAO (1982), citada por Pérez y Compean (1989), presentan las características del carbón vegetal requeridos por altos hornos en Brasil (Cuadro 5). Cuadro 5. Características del carbón vegetal para altos hornos en Brasil. Composición física del carbón vegetal por peso base seco. Carbono fijo Cenizas. Sustancia volátil. Fuente: FAO (1983).

Variaciones. Máximo Mínimo (%). (%). 80 60 10 3 26 15

Promedio Anual (%). 70 5 25

Carbón vegetal considerado bueno a excelente (%). 75-80 3-4 20-25

La norma alemana CEN/TC/281 (1996), para carbón y briquetas además de establecer los métodos para la determinación de valores porcentuales de humedad, materiales volátiles, cenizas y carbón fijo, también especifica los valores mínimos aceptados de estos en el continente europeo, los cuales se enuncian a continuación. •

Carbono fijo. El carbono fijo en el carbón vegetal seco deberá tener un mínimo del 80 % en peso.

•

Cenizas. El contenido de cenizas en el carbón vegetal seco no debe exceder más del 5 %.

•

Humedad. El contenido de humedad en el carbón vegetal no deberá exceder más del 8 %.

•

Material volátil. No presenta algún contenido mínimo.

3.5. USOS DEL CARBÓN. Patiño (1989), expone que el carbón vegetal puede ser aprovechado para uso domestico, para la elaboración de carbón activo y, también como en Brasil, en metalurgia, en altos hornos y en hornos para metales no ferrosos ya sea como combustible y simultáneamente como reductor. Antunes (1982) citado por Patiño (1989), indica que los finos de carbón pueden ser utilizados para los siguientes fines: sintetización, reducción de mineral de fierro, para ser inyectado como auxiliar de la combustión en las ventanas de los altos hornos y en los quemadores de carbón pulverizado, solo o en mezcla con otros combustibles líquidos. Por su parte el mismo autor, Patiño (1989), comenta que los finos de carbón también pueden

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ser utilizados en la fabricación de cemento, en hornos de cerámica roja, para gasificación y combustión en lecho fluidizado, para la calcinación de minerales no ferrosos y para la formación de pelotas de mineral de fierro, así mismo puede ser utilizado como abono orgánico y también para mejorar las condiciones físicas del suelo. En el mismo sentido expone que el mayor uso de los finos de carbón vegetal es la fabricación de carbón comprimido (briquetas). Patiño (1989), señala que el carbón vegetal pulverizado, sirve como combustible fluidizable al aire, por medio de carburadores especialmente proyectados para motores de combustión interna. El mismo autor comenta que el carbón en esta presentación tiene una buena ignición y es utilizado como materia prima para la elaboración de pólvora negra, también mezclados con barro producen un ladrillo fuerte, compacto y poroso en la superficie, lo que trae como ventaja una mayor adherencia con la mezcla de cemento, y dando como consecuencia muros más fuertes. 3.5.1. CARBÓN PARA USO DOMESTICO. Brito y Barrichelo (1981), citados por Patiño (1989), concuerdan que el carbón vegetal para uso doméstico, debe ser suave, fácilmente inflamable, no estallar y emitir el mínimo de humos posible. Puede ser obtenido a bajas temperaturas (350 a 400 °C) y su composición química no tiene mucha importancia. Marcos (1989), comenta que el uso doméstico más tradicional del carbón vegetal ha sido el energético. Se ha utilizado para calentar el hogar y los alimentos. Hoy en día este uso se ve diferenciado de la siguiente forma: •

En los países desarrollados el carbón vegetal es empleado en barbacoas y parrilladas, por tanto en uso de actividades de tiempo libre.

•

En los países subdesarrollados y en vías de desarrollo poco o nada industrializados, sigue siendo fuente energética básica.

3.5.2. CARBÓN METALÚRGICO. Brito y Barrichelo (1981), citados por Patiño (1989), señalan que el carbón vegetal es utilizado en la reducción de mineral de fierro en altos hornos, fundición y otros. La preparación de este tipo de carbón demanda técnicas más elaboradas, la carbonización debe

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conducirse a altas temperaturas (mínimo 650 °C) y un proceso de larga duración. En este carbón vegetal se exigen normas mínimas de calidad: desde el punto de vista mecánico debe ser denso, no quebradizo, y tener buena resistencia; en cuanto a su composición química, en la combustión debe presentar bajo contenido de cenizas, baja tasa de materiales volátiles y tener un mínimo de 80 % de carbono fijo. Chevrand (s/f) citado por Patiño (1989), señala que el carbón vegetal ha sido utilizado desde hace mucho tiempo en la siderurgia. Sin embargo, su uso fue considerado al margen y así siempre visto sin importancia. Considerando lo anterior, los esfuerzos para su desarrollo fueron pequeños, sobre todo en el área tecnológica, donde este reductor tiene mucha importancia. Brasil es el país en el cual se utilizan los mayores volúmenes de carbón vegetal en la industria siderúrgica, en la cual el consumo de energía presenta una demanda del orden de 7 a 10 porciento del consumo total de energía del país. Debe señalarse que casi el 50 porciento de la energía consumida en esta industria fue importada. Patiño (1989), señala que el carbón vegetal, dentro de la industria siderúrgica, se puede utilizar como combustible o como reductor, ya sea en trozos o en polvo o aún en este ultimo caso, se puede agregar mediante inyecciones a los procesos de los altos hornos. Assis (1989) citado por Patiño (1989), expone que al carbón recibido en los altos hornos se le realiza un “análisis inmediato”, el cual consiste en determinar los contenidos de volátiles, cenizas, carbono fijo y de humedad del carbón recibido. Patiño (1989), señala que el factor más importante de los análisis antes mencionados es el porcentaje de carbón fijo, pues su efecto se refleja directamente en su utilización en el horno por unidad de volumen. A medida que en el carbón vegetal se aumenta el contenido del carbono fijo, mayor es la demanda volumétrica dentro del alto horno; lo anterior es válido cuando el objetivo más importante es la reducción, ya que cuando se contempla la utilización de los gases como fuente energética a mayor contenido fijo menor cantidad de volátiles; por lo tanto, cuando se considera la alternativa energética, se debe equilibrar el contenido de carbono fijo y volátiles. En cambio, el mismo autor menciona que cuando la densidad es muy baja ocasiona una menor utilización del volumen del alto horno y una menor producción por unidad de volumen.

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3.5.3. CARBÓN PARA GASÓGENO. Brito y Barrichelo (1981) citados por Patiño (1989), indican que el carbón vegetal también se utiliza para generar gas pobre que puede tener varios usos, entre ellos generación de energía eléctrica y secado de granos. Los criterios de caracterización son menos severos que para los casos precedentes, ya que no debe ser muy friable, su densidad aparente debe ser menor al valor 0.3 gr /cm3 y debe tener un contenido de carbono fijo de 75 %. 3.5.4. CARBÓN ACTIVADO. Patiño (1989), indica que el carbón activado es un absorbente universal de uso muy definido y desde su introducción al principio del siglo 20, su empleo se ha incrementado considerablemente debido a las nuevas aplicaciones encontradas. Hasta 1960, la mayoría de los carbones activados fabricados se consumían para el refinamiento del azúcar y tratamiento de aguas. En la década de los años setentas se aceleraron estudios para conocer más a fondo la naturaleza y las diversas aplicaciones de los carbones activados. Brito y Barrichelo (1981) citados por Patiño (1989), mencionan que el carbón vegetal se usa en la decoloración de productos alimenticios, medicinal, desinfectantes, purificación de solventes, entre otros. Debe ser ligero y poroso; para aumentar el poder absorbente se le pueden hacer ciertos tratamientos. El carbón activado se produce sometiéndolo a la acción de vapor de agua, súper-calentado a 900 °C o mezclado con ciertas sales volátiles. Jordao y Assumpcao (1973) citados por Patiño (1989), indican que los usos del carbón activado son variados y mencionan algunos como añejamiento de bebidas, recuperación de solventes, purificación de residuos industriales, aplicaciones analíticas y análisis cromatográficos, entre otros. Patiño (1989), indica que el carbón activado de materiales orgánicos puede ser obtenido de dos maneras: por activación química, que consiste en la carbonización de material previamente mezclado con un agente activante; por activación física o a través del tratamiento de material carbonizado con gases oxidantes como aire, dióxido de carbono y vapor de agua sobrecalentado.

xxxv

3.5.5. CARBÓN PARA LA INDUSTRIA QUÍMICA. Brito y Barrichelo (1981) citados por Patiño (1989), exponen que en este caso, las exigencias varían según el uso al que se destine, generalmente debe tener una buena pureza ligada a una buena reactividad química. En la industria farmacéutica se utiliza como antiflatulante, debido a su gran poder de absorción; igualmente se emplea en plantillas desodorantes para absorber sudor; también se emplea en la absorción de sustancias toxicas en el intestino. (Marcos, 1989). 3.5.6. OTROS USOS. Brito y Barrichelo (1981) citados por Patiño (1989), señalan que el carbón vegetal se usa como producto pulverizado utilizado en la industria cementera y en la sintetización y pelotización de minerales de fierro.

xxxvi

4. MATERIALES Y MÉTODOS. 4.1. DISEÑO EXPERIMENTAL. Para el presente trabajo se eligió de Martínez (1988), el diseño experimental bloques completamente al azar, cuyo modelo estadístico es el siguiente: Yij = µ + βi + Rj + εij Donde: Yij = Variable respuesta. µ = Efecto común a todas las observaciones. βi = Efecto del i-ésimo horno. Rj = Efecto de la j-ésima repetición. εij = Error experimental. Las hipótesis dadas son: Ho = R1 = R2 = R3. Ha = R1 ≠ R2 ≠ R3. Se tomaron 15 muestras en cada una de las tres hornadas, en tres niveles definidos (nivel de: piso, intermedio y superior) y cinco posiciones determinadas (Centro, Puerta 1, Puerta 2, Costado 3 y Costado 4) dentro del horno, dando un resultado de 45 muestras con 6 análisis. (Humedad, poder calorífico, cenizas, volátiles, carbono fijo y densidad). 4.2. FASE DE CAMPO. Una vez obtenido el permiso en el “Ejido la Selva”se tomaron 45 muestras (15 por cada repetición) y se realizaron las observaciones necesarias sobre la leña, ubicación de los hornos, tipo de hornos y proceso. El material utilizado para la producción del carbón consistió en leñas de dos especies maderables: quebracho (Quercus crassifolia) y hojancha (Quercus rugosa), las cuales se eligieron principalmente por su abundancia en la zona del ejido “La Selva”, sus características de densidad y conformación.

xxxvii

Los hornos empleados están basados en el diseño realizado por promotores de este tipo de hornos en el país (Subsecretaria Forestal y de la Fauna Silvestre y la Universidad Autónoma Chapingo), los cuales tienen una capacidad de 30 a 35 m3r de leña. 4.2.1. UBICACIÓN DEL EJIDO “LA SELVA”. El ejido “La Selva”, es el lugar donde se realizó la fase de campo del presente trabajo, es decir, aquí se encuentra la batería de hornos “Colmena Brasileño” donde se tomaron las muestras al carbón vegetal producido y posteriormente analizado, utilizando leña de encino de la especie, Quercus rugosa y Quercus crassifolia, las cuales se encuentran abundantes en la región de estudio. La batería de hornos “Colmena Brasileño” del ejido “La Selva”, empezó a funcionar desde el año de 1987, bajo la razón social de este ejido, con RFC: UEE 881202 UB5, y domicilio fiscal: La Selva, Huayacocotla, Veracruz. Tomando como referencia la carta topográfica de escala 1:50000 editada por el INEGI (1991), denominada Zacualtipan F14D62, el ejido se localiza con aproximación entre coordenadas cuyos vértices extremos se muestran en el Cuadro 6 y Anexo 1. Cuadro 6. Vértices geográficos del ejido “La Selva”. VERTICE LATITUD NORTE A 20° 36´ 22´´ B 20° 33´ 40´´ C 20° 31´ 08´´ D 20° 31´ 56´´ Fuente: INEGI (1991).

LONGITUD OESTE 98° 29´ 50´´ 98° 27´ 18´´ 98° 31´ 07´´ 98° 31´ 33´´

4.2.2. DESCRIPCIÓN DE LAS ESPECIES UTILIZADAS. Las dos especies usadas en la producción de carbón vegetal en el ejido la selva son quebracho (Quercus crassifolia) y hojancha (Quercus rugosa), siendo esta ultima la de mayor abundancia y la mayor uso en la producción de carbón vegetal en este ejido. •

Quercus rugosa. Née.- Pertenece a los encinos blancos y es un arbusto o árbol hasta de 20 m de alto o más; tronco con un diámetro hasta de 1 m ó más, ramillas de 2 a 4 mm de diámetro tomentosas o glabresentes;

estípulas lineares u

oblanceoladas, de 8 a 12 mm de largo; hojas con el pecíolo pubescente de 5 a 10 mm de largo, muy gruesas, rígidas y cariáceas, frecuentemente cóncavas por el xxxviii

envés, muy rugosas, obovadas, elíptico-obovadas a casi suborbiculares, de 5 a 20 cm de largo por 3 a 13 de ancho, ápice obtuso o redondeado, margen engrosado, con dientes u ondulaciones hacia la mitad distal de la hoja, base redondeada o cordada, haz lustroso y glabro, envés tomentoso con pelos ramificados y glandulares de color ámbar o rojizo, epidermis glauco-cerosa, papilosa y algo ampulosa; amentos masculinos de 3 a 6 cm de largo, flores femeninas 2 a 12 sobre un pedúnculo largo; fruto solitario o en grupos de 2 a 3 sobre un pedúnculo de 6 a 10 cm de largo, cúpula de 10 a 15 mm de diámetro, bellota ovoide de 10 a 25 mm de largo, incluida un tercio de su largo en la cúpula. Se usa como combustible. García (1989). •

Quercus crassifolia. H et B.- Pertenece a los encinos rojos y es arbusto o árbol de 3 hasta de 10 o15 m de altura; tronco con un diámetro hasta de 1 m con la corteza muy obscura, ramillas de 2 a 5 mm de diámetro con el tomento café-amarillento que se obscurece con el tiempo; estípulas oblanceoladas de 8 a 12 mm de largo por 2 a 4 de ancho, membranosas, escariosas; hojas con el pecíolo tomentoso de 0.5 a 3 cm de largo, limbo grueso, rígido y cariáceo, obovado, oblongo-obovado o elíptico, de 5 a 22 cm de largo por 2.5 a 14 cm de ancho, el ápice se angosta abruptamente , es acuminado y termina en una arista borde engrosado y revoluto, con 3 a 6 dientes aristado, base redondeada o cordada, venas de 6 a 10 pares, haz al principio tomentoso y después glabro y algo lustroso, envés lanoso tomentoso, cubierto de tomento café amarillento, casi no se le ve la epidermis que es verde pálida y glandular ampulosa; amentos masculinos de 6 a 10 cm de largo; flores femeninas 1 a 2, pilosas, sésiles o sobre un pedúnculo corto de 3 a 10 mm de largo; cúpula hemisférica de 13 a 17 mm de diámetro con las escamas pubescentes, bellota ovoide de 15 a 18 mm por 10 a 13 mm de diámetro, incluida hasta la mitad de su largo o menos en la cúpula. García (1989).

xxxix

4.2.3. MUESTREO DEL CARBÓN VEGETAL PRODUCIDO. Se realizo un muestreo sistemático con tres repeticiones. •

Se tomaron muestras de un kilo de carbón, en bolsas “ziploc”, en tres niveles del interior del horno y en la pila del carbón generado, (nivel de piso, nivel intermedio y nivel superior) y en cinco sitios diferentes del horno (centro, puerta 1, puerta 2, costado 3 y costado 4). (Anexo 2)

•

Se diseñó una clave para la identificación de las muestras en todo el proceso la cual consistió en asignarles las letras H, M y N las cuales significan hornada, muestra y nivel respectivamente y en dependencia con su ubicación se les puso un número después de cada letra según el cuadro 7. Es decir si se tiene la muestra “H2M4N2”, significa que es la muestra colectada en el segundo horno, del costado 4, en el nivel 2.

Cuadro 7. Identificación de muestras. SÍMBOLO.

CONCEPTO.

H.

HORNO.

M.

N.

MUESTRA.

NIVEL.

NÚMERO.

VARIANTE.

1

Primer horno.

2

Segundo horno.

3

Tercer horno.

1

Puerta 1.

2

Puerta 2.

3

Costado 3.

4

Costado 4.

5

Centro.

1

De piso

2

Intermedio.

3

Superior.

4.3. FASE DE LABORATORIO. (ANALISIS FISICO-QUIMICO). El análisis físico-químico para determinar la proporción de cada uno de los componentes del carbón, así como de su densidad y poder calorífico, se realizó en los laboratorios de la empresa Noram de México, S.A. de C.V., del Departamento de Fitotecnia y de la División de Ciencias Forestales.

xl

Cada una de las seis pruebas realizadas (Humedad, poder calorífico, cenizas, volátiles, carbono fijo y densidad) se ejecutó con metodología y equipo distinto por lo que más adelante se detallan. 4.3.1. ANALISIS DE LAS PROPIEDADES FISICO-QUIMICAS. Se analizaron las siguientes propiedades: •

Densidad.

•

Humedad.

•

Poder calorífico.

•

Sustancias volátiles.

•

Cenizas.

•

Carbono fijo.

Para la determinación de contenidos de humedad y cálculo porcentual del contenido de material volátil, cenizas y el contenido de carbono fijo se utilizó el procedimiento que especifica la norma europea CEN/TC281, (1996). Para las determinaciones de poder calorífico se usó el manual Parr Instruments (1990), para uso del calorímetro adiabático 1341, y para la densidad la Norma Oficial Mexicana de Análisis de Suelos y Certificación de Laboratorios (SEMARNAP, 1988). 4.3.1.1. DENSIDAD. Para la determinación de la densidad se procedió con dos métodos el primero es una variante del Método AS-05-1988 con Picnómetro para Determinación de Densidad Real, explicado en la Norma Oficial Mexicana de Procedimiento de Análisis de Suelos y Certificación de Laboratorios (SEMARNAP, 1988), la variante a la norma fue que se determinó carbón vegetal en vez de suelo y densidad básica en lugar de densidad real. El segundo método es a partir de medir un cubo por sus caras para calcular el volumen y después calcular la masa. La segunda determinación se realizó en nueve muestras al azar para comparación de valores con el primer método; para el cálculo de la densidad básica del carbón vegetal el principio puede ser a partir del conocimiento de dos parámetros: la masa y el volumen de una cierta cantidad de carbón. La masa se determinó pesando directamente el carbón y el

xli

volumen de manera indirecta por el cálculo de la masa y la densidad del agua, desplazado por la muestra de carbón o directamente cubicando la muestra a partir de medir las caras de una muestra cortada en forma de cubo.

Método del picnómetro modificado. Materiales y equipo. •

Picnómetros o matraces aforados de 25 ml.

•

Desecador de vacío.

•

Bomba de vacío o estufa.

•

Balanza analítica.

•

Carbón dimensionado y saturado de agua.

•

Agua destilada y hervida (fría).

•

Tubos de ensayo.

Pre-tratamiento de la muestra de carbón. •

Se saturó la muestra de carbón vegetal dejando una astilla de este sumergida en tubos de ensayo.

Procedimiento. 1

Se pesó un matraz o picnómetro limpio y perfectamente anhidro (A).

2

Se colocó en el interior del picnómetro un poco de carbón, aproximadamente 5 gr.

3

Se anotó el peso del matraz con carbón, manteniendo el matraz completamente limpio (evitar humedad y/o grasa en las manos) (B)

4

Se adicionó agua destilada hervida recientemente y fría hasta el aforo, y pesar (C).

5

Se colocó en el desecador o en estufa a temperatura de 100 ± 3 °C.

6

Se registró el peso del matraz con carbón hasta que su peso sea constante y anotar (D).

7

Se vació el matraz, enjuagarlo perfectamente y llenarlo hasta aforo con agua destilada, hervida y fría.

8

Se pesó el matraz con agua y anotar (E).

Para calcular la densidad básica se aplicó la fórmula siguiente: Densidad básica = (D - A)/ (C-E) + (B- A).

xlii

Método del cubo. Materiales y equipo. Sierra de banco o sierra cinta pequeña. Vernier o pie de rey. Balanza analítica. Carbón dimensionado en forma de cubo y saturado de agua. Pre-tratamiento de la muestra de carbón vegetal. •

Se saturó la muestra de carbón, dejando el carbón dimensionado en forma de cubo sumergido en agua en un vaso de precipitado.

Procedimiento. 1

Se midió cada una de las caras del cubo en las orillas y en el centro, se determina su promedio por cara y posteriormente el alto, ancho y largo.

2

Se cubicó el carbón a partir de los promedios del alto, ancho y largo (A1).

3

Se colocó en el desecador o en estufa a temperatura constante de 100 ± 3 °C.

4

Se registró el peso del carbón hasta que su peso sea constante y anotar (B1).

Para calcular la densidad básica se aplicó la formula siguiente: Densidad básica = (B1)/ (A1). 4.3.1.2. HUMEDAD. Para la determinación de la humedad se procedió según la norma CEN/TC281 (1996) y el Manual de Procedimientos para el Análisis Químico de Carbón de la empresa Noram de México (NORAM, s/f): Materiales y equipo. •

Bolsas ziploc

•

Cronómetro.

•

Horno o estufa de secado.

•

Molino de harina manual.

•

Pesa analítica.

•

Recipiente de aluminio vacío.

xliii

Procedimiento. 1. Se pesó un recipiente de aluminio vacío y se anotó su peso en el formato de análisis. 2. Se partió cada trozo de la muestra en dos partes y se guardó una parte en la misma bolsa para un respaldo de la prueba. 3. Se molió la otra parte en el recipiente y se pesó la muestra. Se anotó el peso en la forma y se restó el peso tara del recipiente para calcular el peso neto de la muestra. 4. Se puso el recipiente con la muestra en el horno secador. Nota: la temperatura debe de ser más o menos100 °C antes de meter la muestra. 5. Se esperó 30 minutos y confirmó que la temperatura regresó a 100 °C si no se ajustó la temperatura periódicamente hasta que se nivele a 100 °C. 6. Nota: durante el transcurso del experimento se checó la temperatura para asegurar que no subiera hasta 120 °C o más. Si esto sucedía se debía bajar la temperatura hasta que se mantuviera alrededor de los 100 °C. 7. Se esperó otra hora y media. Se sacó la muestra y pesó, anotando el peso en la forma en el rango de la 1er prueba. 8. Se regresó la muestra al horno por otros 30 minutos. Después se sacó y pesó la muestra de nuevo. Si no había cambiado el peso se anotó el dato y calculó el porcentaje de humedad según las instrucciones. Si el peso cambió se regresó la muestra al horno por otros 30 minutos y se repitió el proceso hasta que se estabilizó el peso. 9. Se regresó la muestra al horno y se guardó ahí hasta que se terminó con todas las pruebas. Se checó que el horno se mantuviera a 100 °C. Para calcular la humedad se aplicó la fórmula siguiente: Porcentaje de humedad = (Ph-Po)/Ph Donde: Ph = Peso húmedo. Po = Peso seco, obtenido después de un secado en estufa en 100 ± 3 °C, hasta que dos pesadas consecutivas sean iguales.

xliv

4.3.1.3. PODER CALORIFICO. Para la determinación del poder calorífico se procedió con dos métodos el primero es aplicando la formula de Dulong, para el fin fue necesario conocer el contenido de carbono fijo y posteriormente se despejó. La segunda determinación con el método del calorímetro se realizo en nueve muestras al azar para comparación de valores con el primer método.

Método Dulong. Marcos (1989), presenta la siguiente fórmula para calcular el poder calorífico superior anhidro (PCSO) a partir de la composición química elemental. PCSO= 8.1C+34.00(H-O/8) +2.5 S (Kcal/Kg) Donde; C, H, O, y S son respectivamente los porcentajes de carbono, hidrogeno, oxigeno y azufre del combustible que se utiliza. Debido a que de los valores químicos necesarios para el despeje de la fórmula antes mencionada sólo se tuvierón los valores del carbono fijo, el resto de los valores (H, O, y S) se dedujeron a partir de dichos valores de acuerdo al (Cuadro 8) tomado de Cordero Alcántara et al. (1987) citado por Marcos (1989). Cuadro 8. Relación entre porcentajes de C, H, O y N presentes en el carbón vegetal. Porcentaje de Porcentaje de Porcentaje de Porcentaje de Carbono. Hidrogeno. Nitrógeno. Oxigeno. 50.28 6.09 0.19 41.14 48.88 5.84 0.24 42.70 50.64 5.04 0.25 41.31 58.75 4.96 0.28 34.51 75.69 3.31 0.62 19.10 76.89 3.27 0.40 18.15 81.18 2.98 0.41 13.65 82.96 2.52 0.60 11.15 87.11 2.42 0.50 6.89 89.39 2.19 0.43 4.79 Fuente: Cordero Alcántara et al. (1987) citado por Marcos (1989). Procedimiento. 1

A partir del valor determinado de carbono fijo se dedujerón los valores restantes del Cuadro 8.

xlv

2

Introducir los valores deducidos y despejar la fórmula propuesta por Dulong.

3

Registrar los valores.

Método del calorímetro. El segundo método se propone como medio comparativo realizar algunas muestras (3 por hornada, ya que resulta muy caro realizarlas). Con un calorímetro adiabático el procedimiento siguiente fue tomado del Manual de Operación para la Bomba de Oxigeno Calorimétrica 1341 (Parr Instruments, s/f), de la publicación de Girard, (1992) Techniques Et Matériels de Carbonisation, (1992) y de Sánchez (1993). Materiales y equipo. •

Ácido benzoico.

•

Agua destilada y hervida (fría).

•

Alambre delgado de 2.5 calorías por cm.

•

Calorímetro adiabático.

•

Cronometro.

•

Cubeta de acero.

•

Estufa.

•

Tanque de oxigeno.

•

Termómetro.

Pre-tratamiento de la muestra de carbón. •

Determinación de energía equivalente del calorímetro en la estandarización: con ácido benzoico, 2450 cal/gr.

Procedimiento 1. Se secó a Peso Anhidro una muestra de carbón. 2. Se colocó la cubeta en el calorímetro, antes se destaró a ésta, seca en una balanza analítica; se adicionó después 2000 (± 0.5) gr de agua. De preferencia agua destilada, pero desmineralizada o agua de la llave con un contenido de menos de 250 ppm de sólidos disueltos. La temperatura del agua debe estar a 1.5 °C aproximadamente debajo de la temperatura ambiente, sin embargo esta puede variar a conveniencia del operador. No es necesario usar exactamente 2000 gr, sin embargo, la cantidad seleccionada deberá aplicarse dentro del rango xlvi

de ± 0.5 gramos para cada muestra. En vez de pesar el cubo, éste, se llenó con una pipeta automática. 3. Se puso el cubo en el calorímetro, se fijó el elevador manual a los dos hoyos al lado de la tapa con rosca y bajo la bomba dentro del agua con su extensión al bordo circular en el fondo del cubo. Se manipuló la bomba cuidadosamente durante esta operación para que la muestra no se moviera. Se quitó la mano y se secaron algunas gotas de agua del cubo; se empujó después los dos alambres conductores dentro de los enchufes terminales en la cabeza de la bomba, cuidando de no remover agua del cubo con los dedos. 4. Se puso la cubierta en la funda con el termómetro hacia el frente. Se giró el agitador manualmente para asegurarse de que corría libremente; se deslizó después la correa de transmisión encima de las poleas y accione el motor. 5. Se dejó funcionar el agitador durante cinco minutos para lograr el equilibrio antes de empezar una medición. Al final de este periodo se registró el tiempo y se leyó la temperatura a un décimo de la división más pequeña en la escala. Se golpeó suavemente el termómetro con un lápiz o agitador para acomodar el mercurio antes de tomar una lectura. 6. Al hacerse la combustión, la energía liberada se midió como un aumento de temperatura del agua una vez que se inició una corriente eléctrica instantánea a través del alambre. 7. Se realizaron las correcciones en cuanto a la formación de ácidos. 8. Una vez obtenidas las temperaturas inicial y final así como el factor de corrección (el alambre sobrante) se aplicó la siguiente fórmula: (Manual de Operación de la Bomba Calorimétrica 1341, 1990) donde: Hg =tW-e2/m. Hg = calor de combustión de la muestra x. Donde: t = tf-ti-r1(b-a)-r2(c-b). W

= energía equivalente del calorímetro en la estandarización: con ácido benzoico, 2450

cal/gr. e2

= Corrección en calorías por el calor de combustión del alambre (2.3 cal/cm.).

m

= Masa de la muestra.

xlvii

a

= Tiempo de combustión.

b

= Tiempo donde la temperatura alcanza el 60% del aumento total.

c

= Tiempo (después del aumento) en el cual la tasa de cambio de temperatura se vuelve constante.

ti

= Temperatura al inicio de la combustión.

tf

= Temperatura al final de la combustión.

r1

= Tasa (unidades de temperatura por minuto) a la que la temperatura estuvo aumentando durante 5 minutos periodo antes de encendido.

r2

= Tasa (unidades de temperatura por minuto) a la que la temperatura estuvo aumentando durante el periodo de 5 minutos después del punto c. Si la temperatura estuvo bajando en lugar de subir después del tiempo c, r2 es negativo y la cantidad r2

(c-b) empieza a ser positiva y debió sumarse cuando se computó el aumento

de

temperatura corregido.

4.3.1.4. VOLÁTILES. Para determinar los volátiles se procedió de la manera siguiente según la norma CEN/TC281 (1996) y el Manual de Procedimientos para el Análisis Químico de Carbón de la empresa Noram de México (Noram, s/f): Materiales y equipo. •

Carbón anhidro y pulverizado.

•

Cronómetro.

•

Dedales metálicos.

•

Desecador.

Pre-tratamiento de la muestra de carbón. •

La muestra se tomó del carbón anhidro separado en la muestra para humedad, este carbón está pulverizado.

Procedimiento: 1. Se pesó uno de los dedales metálicos y anotar el peso tara en la forma. 2. Se colocó 1 gramo (más o menos) en el dedal y se apuntó el peso en la forma. 3. Se colocó el dedal lleno en el desecador de vidrio y se preparó otro dedal como el paso #1 y se regresó la muestra al horno secador.

xlviii

4. Se colocó uno de los dedales en el soporte de alambre del horno de volátiles y se bajó el dedal hasta el fondo del horno. Se dejó el dedal a este nivel por tres minutos. 5. Se bajó el dedal hasta la tapa por tres minutos más. 6. Se bajó el dedal casi al fondo del horno por seis minutos más. 7. Se sacó el dedal del horno y se regresó al desecador de vidrio por unos 10 minutos a enfriar. El dedal estuvo rojo y muy caliente. 8. Se repitió el proceso con el segundo dedal. 9. Cuando el dedal se hubo enfriado, se pesó y se calculó el porcentaje de volátiles. Si hubo más de 5% de diferencia entre los resultados de los dos dedales se necesitó hacer un tercero. El resultado final fue el promedio de las dos o tres pruebas que se hicieron. 4.3.1.5. CENIZAS. Para determinar las cenizas se procedió de la manera siguiente CEN/TC281 (1996) y el Manual de Procedimientos para el Análisis Químico de Carbón de la empresa Noram de México (Noram, s/f): Materiales y equipo. •

Cronometro.

•

Horno mufla.

•

Horno secador.

•

Balanza analítica.

•

Recipientes de cerámica.

Pre-tratamiento de la muestra de carbón. •

La muestra se tomó del carbón anhidro separado en la muestra para humedad, este carbón está pulverizado.

Procedimiento: 1. Se pesó uno de los recipientes de cerámica y se anotó el peso en el formato. 2. Se sacó la muestra pulverizada del horno (la muestra que se usó para determinar la humedad) y se revolvió con una cuchara hasta que el polvo estuvo bien mezclado.

xlix

3. Se llenó el recipiente de cerámica con dos gramos de polvo (más o menos la mitad del recipiente) se pesó la muestra y se anotó el peso y la hora en el formato. Se regresó la muestra al horno secador. 4. Se colocó el recipiente de cerámica en el horno mufla por 6 horas. Se pesó y calculó el porcentaje de cenizas. NOTA: después de seis horas la muestra se debe de ver como pura ceniza sin pedacitos negros de carbón y sin verse rojo. Si no se ve como pura ceniza se repuso la muestra en el horno por 30 minutos más o menos. 4.3.1.6. CARBONO FIJO. El carbono fijo es 100 % menos el porcentaje de Cenizas y menos el porcentaje de volátiles, CEN/TC281 (1996), (Noram, s/f). 4.4. LISTADO DE MATERIALES. A continuación se da un listado general de todo el equipo y material usado para el desarrollo y ejecución del presente trabajo, no obstante para cada prueba se especifica el equipo y material usado. •

Ácido benzoico.

•

Agua destilada y hervida (fría).

•

Agujas de disección.

•

Alambre delgado de 2.5 calorías por cm.

•

Balanza analítica Dial-o-Gram, marca “Ohaus” 2610 gr.

•

Balanza analítica Dial-o-Gram, marca “Ohaus” 310 gr.

•

Bolsas, marca “ziploc”.

•

Bomba calorimétrica marca “Parr”, modelo 1341.

•

Bomba de vacío o estufa.

•

Carbón anhidro y pulverizado.

•

Carbón saturado de humedad.

•

Carbón saturado y dimensionado en forma de cubo.

•

Cronómetro sin marca. l

•

Cuba de acero.

•

Dedales marca “INEI”.

•

Desecador de vacío.

•

Desecadora “Pirex”.

•

Estufa QL modelo 20, marca Quince Lab Inc. De 500 °F ó 240 °C.

•

Molino de harina manual marca Straub, CO 18.

•

Morteros para altas temperaturas de porcelana, marca “Coors”.

•

Mufla Furnace 1300 marca “Thermoline”.

•

Mufla Furnace 2000 para volátiles marca “Nacional Element”.

•

Picnómetros o matraces aforados de 25 ml.

•

Recipientes de aluminio para hornear sin marca.

•

Sierra de banco o sierra cinta pequeña.

•

Tanque de oxigeno.

•

Termómetro.

•

Tubos de ensayo.

•

Vernier o pie de rey.

li

5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. Con base en los resultados obtenidos de las pruebas de laboratorio se procedió a agrupar a estos y analizarlos estadísticamente (diseño experimental bloques completos al azar), con el método de comparación de medias de Tukey, los datos fueron agrupados de acuerdo a los tres niveles de carbón producido y a la posición en cinco sitios, esto sirvió para determinar como la calidad generada por esta técnica y cada uno de los parámetros que la determinan fueron afectados por la posición en que fue producido el carbón vegetal de encino. Así mismo con base en los resultados de las pruebas de laboratorio se pudo determinar que en los bloques considerados como niveles, se presenta diferencia significativa y por ende se muestran los cuadros de análisis 11, 12, 13, 14, 15, y en los bloques considerados como sitios o posiciones en ninguna prueba se encontró diferencia significativa por lo que los cuadros de análisis por considerarlos imprácticos para el estudio y para la discusión del presente trabajo, no aparecen en este apartado y se presentan en el anexo 3. Para la interpretación de los resultados en los cuadros de análisis 11, 12, 13, 14, 15 y 16 se considera que letras iguales significan que no existe diferencia significativa, en contraste letras diferentes significan que los datos mostrados tienen diferencias significativas. A continuación se muestran los condensados de los datos obtenidos por hornada en los cuadros 9,10 y 11, con los valores estadísticos de máximos, mínimos y promedios con su respectivo análisis el cual indica a la muestra con mejores valores y la muestra con menores valores; además se muestra, el análisis comparativo entre los valores promedio por hornada con las especificaciones de las diferentes normas citadas por Sánchez (1997), HIBA (1986), FAO (1983), CEN/TC/281 (1996). Los valores encontrados en las tres hornadas, muestran que en general los peores valores unitarios se encuentran en los niveles de piso e intermedio y en las posiciones de los costados. Mientras que los mejores valores unitarios se encontraron en los tres niveles y en las posiciones de los costados. Sin embargo a de ponerse atención a que los valores promedio por nivel presentan una clara tendencia de mejores valores en el nivel superior y menor en el nivel de piso y que los valores promedio por posición no siguen ninguna tendencia.

lii

Cuadro 9. Resultados de la primer hornada muestreada. Horno Muestra Nivel Cenizas Volátiles Carbono Fijo Densidad Poder Calorífico Humedad (%) (%) (%) (gr/cm3) (cal/gr) (%) 1 1 1 3.500 26.500 70.000 0.548 6678.65 4.327 1 2 1 3.000 13.000 84.000 0.453 7734.20 3.597 1 3 1 3.500 34.500 62.000 0.587 6017.30 3.526 1 4 1 4.000 37.500 58.500 0.412 6292.40 4.019 1 5 1 4.500 22.500 73.000 0.560 6879.15 3.963 1 1 2 2.000 4.000 94.000 0.426 8353.60 9.763 1 2 2 4.000 11.000 85.000 0.434 7772.70 4.450 1 3 2 2.000 16.000 82.000 0.535 7483.05 1.809 1 4 2 4.500 8.500 87.000 0.473 7755.55 6.118 1 5 2 1.000 27.500 71.500 0.597 6906.40 4.222 1 1 3 2.000 4.000 94.000 0.535 8353.60 3.163 1 2 3 4.500 10.500 85.000 0.421 7751.45 1.389 1 3 3 1.500 3.500 95.000 0.475 8455.85 4.453 1 4 3 3.500 6.500 90.000 0.409 7965.85 5.300 1 5 3 4.000 17.000 79.000 0.510 7286.70 3.846 1.000 3.500 58.500 0.409 6017.300 1.389 Mínimo. 4.500 37.500 95.000 0.597 8455.850 9.763 Máximo. 3.167 16.167 80.667 0.492 7445.763 4.263 Promedio. De acuerdo con los datos obtenidos para la primer hornada y mostrados en el Cuadro 9, la muestra H1M3N3, (horno 1, muestra costado 3, nivel superior), fue la que obtuvo los mejores valores en general, conteniendo el mayor porcentaje de carbono fijo y menor de sustancia volátil y como consecuencia el mayor contenido de calorías por gramo. La muestra con menores valores de la primer hornada, se presentó en la H1M4N1, (horno 1, muestra costado 4, nivel de piso), con bajo contenido de carbono fijo, y alto de volátiles, dando como consecuencia el segundo valor más bajo de poder calorífico presentes en esta hornada. Lo anterior coincide con Inoue (1996) quien encontró diferencia de calidad en los niveles con igual tendencia de mejor calidad en los superiores y poca calidad en los de piso. Los valores promedio logrados en la primera hornada fueron comparados con las especificaciones de las normas siguientes, Sánchez (1997), HIBA (1986), FAO (1983), CEN/TC/281 (1996), y se encontró que: Los valores promedio de ceniza comparados con las normas citadas son valores aceptables ya que se encuentran entre los valores máximos y mínimos o incluso son menores que los especificados. liii

Los valores promedio de volátiles comparados con las normas citadas son aceptables para las especificaciones de FAO (1983), para las demás especificaciones los valores son demasiado elevados. Los valores promedio de carbono fijo de esta hornada son valores aceptables para todas las normas citadas. Los valores promedio de humedad al ser comparadas con las normas tienen valores aceptables para todas las normas citadas. Los valores de densidad y poder calorífico, no son requeridos por ninguna de esas normas. Cuadro 10. Resultados de la segunda hornada muestreada De acuerdo con los datos obtenidos para la segunda hornada y mostrados en el Cuadro 10, la muestra H2M4N2, (horno 2, muestra costado 4, nivel intermedio), fue la que Horno Muestra Nivel Cenizas Volátiles Carbono Fijo Densidad Poder Calorífico Humedad (cal/gr) (%) (%) (%) (%) (gr/cm3) 2 1 1 2.000 43.500 54.500 0.583 6053.40 5.376 2 2 1 2.500 25.500 72.000 0.581 6883.15 9.045 2 3 1 1.000 15.500 83.500 0.504 7878.40 33.333 2 4 1 3.500 16.000 80.500 0.559 7429.45 4.151 2 5 1 0.500 50.667 48.833 0.445 5978.35 18.281 2 1 2 1.500 12.500 86.000 0.512 7802.05 8.832 2 2 2 1.500 22.500 76.000 0.506 7236.30 3.599 2 3 2 1.000 21.000 78.000 0.447 7333.20 6.325 2 4 2 5.000 3.500 91.500 0.496 8023.60 6.291 2 5 2 2.500 6.500 91.000 0.394 8089.35 8.821 2 1 3 6.000 11.000 83.000 0.446 7625.40 4.049 2 2 3 1.000 11.667 87.333 0.468 7931.30 3.322 2 3 3 0.500 15.500 84.000 0.418 7840.45 3.704 2 4 3 1.000 11.500 87.500 0.435 7944.80 3.475 2 5 3 7.500 12.000 80.500 0.379 7259.45 3.636 0.500 3.500 48.833 0.379 5978.350 3.322 Mínimo. 7.500 50.667 91.500 0.583 8089.350 33.333 Máximo. 2.467 18.589 78.944 0.478 7420.577 8.149 Promedio. obtuvo los mejores valores en general conteniendo el mayor porcentaje de carbono fijo y menor de sustancia volátil y como consecuencia el segundo valor mayor contenido de calorías por gramo.

liv

La muestra con menores valores de la segunda hornada, se presentaron en la H2M5N1, (horno 2, muestra centro 5, nivel de piso), con bajo contenido de carbono fijo, y alto de volátiles, dando como consecuencia el valor más bajo de poder calorífico presentes en esta hornada. Lo anterior coincide con lo mencionado por Inoue (1996) que encontró diferencia de calidad en diferentes niveles, presentando poca calidad en el nivel de piso. Además coincide con Marcos (1989) quien menciona que, si durante el proceso de carbonización la madera ha soportado grandes presiones, el carbón vegetal obtenido presenta mayor densidad. Por esta razón el carbón vegetal producido en la parte baja del horno resultó ser más denso que en las zonas superiores. Los valores promedio logrados en la segunda hornada al igual que la primera hornada fueron comparados con las especificaciones de las normas siguientes, Sánchez (1997), HIBA (1986), FAO (1983), CEN/TC/281 (1996), y se encontró que: Los valores promedio de ceniza comparados con las normas citadas son valores aceptables ya que se encuentran entre los valores máximos y mínimos o incluso son menores que los especificados. Los valores promedio de volátiles comparados con las normas citadas son aceptables para las especificaciones de FAO (1983), para las demás especificaciones los valores son demasiado elevados. Los valores promedio de carbono fijo de esta hornada son valores aceptables para todas las normas citadas, excepto para la norma CEN/TC/281 (1996). Los valores promedio de humedad al ser comparadas con las normas tienen valores no aceptados en las normas citadas.

lv

Cuadro 11. Resultados de la tercer hornada muestreada Horno Muestra Nivel Cenizas Volátiles Carbono Fijo Densidad Poder Calorífico Humedad (%) (%) (%) (gr/cm3) (cal/gr) (%) 3 1 1 2.500 8.500 89.000 0.509 7927.35 30.370 3 2 1 4.000 40.000 56.000 0.566 6089.90 8.633 3 3 1 0.985 44.000 55.015 0.488 6138.23 5.479 3 4 1 4.500 40.500 55.000 0.523 5987.65 4.762 3 5 1 1.500 47.000 51.500 0.563 6235.85 4.762 3 1 2 2.000 12.000 86.000 0.534 7780.80 5.185 3 2 2 3.500 14.500 82.000 0.507 7419.30 3.659 3 3 2 2.000 53.000 45.000 0.486 5604.10 2.797 3 4 2 5.000 21.000 74.000 0.500 6938.90 7.258 3 5 2 3.000 17.500 79.500 0.531 7369.70 15.730 3 1 3 4.500 20.500 75.000 0.433 7041.15 8.108 3 2 3 4.000 19.500 76.500 0.461 7170.55 2.752 3 3 3 3.000 21.000 76.000 0.463 7172.55 2.239 3 4 3 1.000 23.000 76.000 0.474 7257.55 3.636 3 5 3 3.000 18.000 79.000 0.490 7329.20 2.727 0.985 8.500 45.000 0.433 5604.100 2.239 Mínimo. 5.000 53.000 89.000 0.566 7927.350 30.370 Máximo. 2.966 26.667 70.368 0.502 6897.518 7.207 Promedio. De acuerdo con los datos obtenidos para la tercer hornada y mostrados en el Cuadro 11, la muestra H3M1N1, (horno 3, muestra puerta 1, nivel de piso), fue la que obtuvo los mejores valores en general conteniendo el mayor porcentaje de carbono fijo y menor de sustancia volátil y como consecuencia el valor con mayor contenido de calorías por gramo. La muestra con menores valores de la tercera hornada, se presentaron en la muestra H3M3N2, (horno 3, muestra costado 3, nivel de intermedio), con bajo contenido de carbono fijo, y alto de volátiles, dando como consecuencia el valor mas bajo de poder calorífico presentes en esta hornada. Lo anterior coincide con Marcos (1989) quien menciona que, el carbón vegetal producido en la parte baja del horno resultó ser más denso que en las zonas superiores. Sin embargo es contrario con lo mencionado por Inoue (1996) que encontró mejores valores en el nivel

superior. Sin embargo, el mejor valor encontrado para esta hornada debe

considerarse como un valor extraordinario ya que todos los demás valores de su nivel en promedio estuvieron muy por debajo de éste.

lvi

Los valores promedio logrados en la tercera hornada al igual que las dos primeras hornadas fueron comparados con las especificaciones de las normas siguientes, Sánchez (1997), HIBA (1986), FAO (1983), CEN/TC/281 (1996), y se encontró que: Los valores promedio de ceniza comparados con las normas citadas son valores aceptables ya que se encuentran entre los valores máximos y mínimos o incluso son menores que los especificados. Los valores promedio de volátiles comparados con las normas citadas no son aceptables ninguna de las especificaciones citadas. Los valores promedio de carbono fijo de esta hornada no son valores aceptables para las normas citadas, excepto para la norma FAO (1983). Los valores promedio de humedad al ser comparadas con las normas tienen valores no aceptados en las normas citadas a excepción de la norma HIBA (1986).

lvii

PODER CALORIFICO. Cuadro 12. Valores medios de poder calorífico por nivel AGRUPACION MEDIA (cal/gr). NIVEL. TUKEY. 3 7625.7 A

•

A

7457.9

2

B

6680.2

1

De acuerdo con el Cuadro 12 mostrado y con Inoue (1996), se observa que el poder calorífico sigue una tendencia con valores elevados a medida que se incrementa el nivel (altura) del carbón vegetal producido, entendiendo que el nivel 3 es el superior, nivel 2 intermedio y 1 nivel de piso.

•

Se observa que la parte inferior es significativamente diferente con respecto del nivel intermedio y superior.

•

Entendiendo que mientras mayor valor se logre de poder calorífico y de acuerdo con Inoue (1996) y Marcos (1989), la calidad es superior, se estima que valores de 7000 cal/gr son valores aceptados por la mayor parte de los usos y normas.

•

Por los valores que se presentan en el nivel 2 y 3 se infiere de Marcos (1989), que dicho comportamiento responde a que el carbón vegetal fue generado a temperaturas de entre 450 a 600 °C.

•

Por los valores del nivel 1, se observa que este tiene bajo valor, por lo que con base en FAO (1983), Pérez y Compean (1989) e Inoue (1996), este comportamiento responde a menores temperaturas de carbonización y poca exposición o mínimo refinamiento, también responde a que por acumulamiento de ácidos y otros como humedad por arrastre los valores logrados sean menores.

•

De acuerdo con Marcos (1989), el resultado de los valores de poder calorífico, son afectados por la cantidad de carbono fijo presente en el carbón vegetal y por la humedad.

•

Los valores medios de poder calorífico por posición no presentaron diferencia significativa por lo que su respectivo cuadro se encuentra en el Anexo 3.

lviii

CARBONO FIJO. Cuadro 13. Valores medios de carbono fijo por nivel. AGRUPACION MEDIA (%). TUKEY. 83.189 A

•

NIVEL 3

A

80.567

2

B

66.223

1

De acuerdo al Cuadro 13 y lo expuesto por Inoue (1996), se observa que en los valores de carbono fijo hay diferencias significativas entre el nivel inferior y los niveles, superior e intermedio, además que existe mayor cantidad de carbono fijo en los estratos superior e intermedio y menor a nivel de piso.

•

Entendiendo que el contenido de carbono fijo del carbón vegetal producido depende principalmente de las condiciones de carbonización se infiere con base en Marcos (1989), Pérez y Compean (1989) y FAO (1983), que los valores mayores del nivel 3 o superior fueron logrados debido a la secuencia de encendido del horno esto es, que éste es encendido por la boca superior de modo que el carbón vegetal producido en este nivel es el primero que se obtiene además de que tiene un mayor tiempo de exposición o refinamiento en contraste con el carbón vegetal producido en la parte inferior que logró valores menores, ya que por secuencia fue encendido al final del proceso y expuesto menos tiempo a refinamiento.

•

Los valores obtenidos en los niveles 2 y 3, (medio y superior respectivamente), alcanzan valores muy similares entre ellos, superiores a las especificaciones de la norma CEN/TC/281 (1996), a los requisitos de calidad de carbón vegetal para exportación a Alemania como indica HIBA (1986), a los requisitos de los altos hornos de Brasil de acuerdo con FAO (1983), y en general para cualquier exportación según Sánchez (1997). Mientras que el carbón producido en la parte inferior no alcanzaría el mínimo exigido por las anteriores normas de exportación y sólo sería aceptado por las especificaciones de los altos hornos de Brasil.

•

Los valores medios de carbono fijo por posición no presentaron diferencia significativa por lo que su respectivo cuadro se encuentra en el Anexo 3.

lix

VOLATILES. Cuadro 14. Valores medios de material volátil por nivel. AGRUPACION MEDIA (%). NIVEL TUKEY. 1 31.011 A

•

B

16.733

2

B

13.678

3

Del análisis realizado para volátiles, se puede observar en el Cuadro 14, que los valores más altos es decir los peores valores se presentan en el nivel de piso, mientras que valores más bajos se registran en la parte superior esto es correspondiente con lo encontrado por Inoue (1996).

•

Estos valores de acuerdo con FAO (1883), Marcos (1989) e Inoue (1996), con menor cantidad de volátiles hacia arriba y mayores hacia abajo dependen principalmente de la secuencia de encendido, ya que el carbón generado en la parte superior recibe mayor refinamiento y por ende mayor expulsión de volátiles, en contraste con el carbón vegetal producido en niveles inferiores que no reciben refinamiento.

•

Debe tenerse en cuenta que los más bajos contenidos de volátiles en los carbones es indicativo de mejor calidad en concordancia con Bravo (1995), FAO (1983) y Pérez y Compean (1989).

•

Con los valores promedios obtenidos del carbón el nivel superior e intermedio serían aceptados por los requisitos alemanes, y por los altos hornos de brasil, mientras que serian rechazados por otras especificaciones internacionales de acuerdo con Sánchez (1997), la norma CEN-TC-281 (1986), HIBA (1986) y FAO (1983).

•

Los valores de material volátil del nivel 1 sólo serian útiles de acuerdo con Sánchez (1997), Marcos (1989) y Patiño (1989), para carbón de uso domestico en el país y/o para destinarlo a carbón de uso gasógeno en donde se requiere de abundante cantidad de volátiles para su conversión en gas empobrecido.

•

Los valores medios de material volátil por posición no presentaron diferencia significativa por lo que su respectivo cuadro se encuentra en el Anexo 3.

lx

CENIZAS. Cuadro 15. Valores medios de cenizas por nivel. GRUPO MEDIA (%). TUKEY. 3.1333 A

•

NIVEL 3

A

2.7657

1

A

2.7000

2

Del análisis realizado a los valores mostrados en el Cuadro 15, se deduce que el carbón vegetal producido no presenta diferencia significativa entre estratos para la variable cenizas.

•

Lo anteriormente descrito significa que en el sistema de producción usado (horno de colmena brasileño) la generación en niveles no afectó la cantidad de cenizas presentes en el carbón y que éstas, son el resultado, en este caso, de la especie usada y sus componentes de acuerdo con FAO (1983) y Pérez y Compean (1989).

•

Entre diferentes partes de un árbol se encuentran pocas diferencias en el contenido de cenizas, pero, por lo general la corteza carbonizada tiene un porcentaje muy alto de cenizas de acuerdo con Earl (1975).

•

Comparados los valores del cuadro 15, con las normas citadas todos los valores son aceptables para éstas.

•

Los valores medios de cenizas por posición no presentaron diferencia significativa por lo que su respectivo cuadro se encuentra en el Anexo 3.

lxi

DENSIDAD. Cuadro 16. Valores medios de densidad por nivel. GRUPO MEDIA TUKEY. (Gr/cm3). 0.52540 A

•

NIVEL 1

B

0.49187

2

B

0.45447

3

De acuerdo al Cuadro 16, el cual muestra los valores de densidad se observa que los valores más altos de densidad se observan en los niveles inferior e intermedio (1 y 2 respectivamente) y el menos denso en el nivel superior (nivel 3).

•

Lo anterior es explicado en parte porque el carbón vegetal obtenido a baja temperatura suele ser más denso que el que se obtiene a alta temperatura debido a que contiene más sustancias volátiles las cuales disminuyen progresivamente conforme aumenta la temperatura de carbonización y esto sucede en los niveles superiores de acuerdo con Earl (1975), Marcos (1989), FAO (1883),

e Inoue

(1996). •

La densidad del carbón vegetal es una propiedad física importante, ya que densidades altas suponen a igualdad de peso, volúmenes pequeños y por tanto, una disminución de costos a la hora de su transporte de acuerdo con Marcos (1989).

•

En el uso industrial de acuerdo con Marcos (1989), se buscan carbones densos, ya que producen, a igualdad de volumen, mayor número de calorías en su combustión.

•

Los valores observados de densidad en general son altos y dependen de la especie y sus componentes ya que ésta (Quercus spp), en general presenta altas densidades y gran cantidad de lignina lo que hereda al carbón vegetal producido alta densidad, de acuerdo con Marcos (1989), Earl (1975), FAO (1983), Sánchez (1996), Sánchez y Fajardo (1989), Bravo (1995), Patiño y Pezet (1992) y Sánchez y Vega (1995).

•

Los valores medios de densidad por posición no presentaron diferencia significativa por lo que su respectivo cuadro se encuentra en el Anexo 3.

lxii

HUMEDAD. Cuadro 17. Valores medios de humedad por nivel. GRUPO MEDIA (%). TUKEY. 9.575 A

•

NIVEL 1

A

6.324

2

B

3.720

3

De los análisis de humedad realizados según el Cuadro 17 los valores obtenidos del carbón producido, se observa que existe mayor cantidad de ésta, en el estrato inferior (nivel 1) y que disminuye progresivamente en los niveles superiores (2 y 3), esto concuerda con lo dicho por Inoue (1996).

•

Los valores altos de humedad presentes en el estrato inferior de acuerdo con FAO (1983), responden principalmente a la mala carbonización, es decir que el carbón vegetal producido en estratos inferiores en ocasiones esta semi-carbonizado, además podría deberse a la práctica de inyectar agua al interior del horno para su rápido enfriado lo que provoca el lavado y arrastre de alquitranes y ácidos piroleñosos solubles presentes en el carbón del estrato superior los cuales se depositan en el carbón generado en la parte inferior.

•

Se considera que a mayor humedad contenida en el carbón de acuerdo con Bravo (1995), FAO (1983) y Pérez y Compean (1989), menor es su calidad, ya que ésta, es un adulterante que baja el valor calorífico o de calefacción del carbón vegetal.

•

De acuerdo con Marcos (1989), el carbón generado por estar en el rango de 4 y 9.5 % de humedad se considera como; carbón vegetal seco al aire.

•

Para fines industriales de acuerdo con A la Torre (1992), se considera deseable que la humedad sea inferior al 4 por ciento.

•

Los valores medios de humedad por posición no presentaron diferencia significativa por lo que su respectivo cuadro se encuentra en el Anexo 3.

lxiii

6. CONCLUSIONES. •

Todos los parámetros de calidad, a excepción de los porcentajes de cenizas, fueron influenciados significativamente por los niveles en donde se produjo el carbón vegetal influyendo en la calidad y valores de estos.

•

Ningún parámetro de calidad fue influenciado significativamente por la posición en que fue producido el carbón vegetal.

•

Los valores de las variables analizadas siguen una tendencia a lograr mejores valores en los niveles superiores y peores en el nivel inferior con excepción de las cenizas.

•

Con la tecnología, especie y tiempos de carbonización empleados, de manera regular por los carboneros del ejido “La selva”, el carbón producido a partir de la mitad superior es factible de exportación y de cualquier uso por la calidad encontrada, mientras que la mitad inferior de carbón vegetal producido de baja calidad, es factible de venderse en el mercado nacional por presentar fácil encendido y buen peso (densidad), ambas características deseables para los consumidores nacionales de acuerdo con Sánchez (1997) y lo citado en el apartado referente a Especificaciones y Normatividad de Calidad del Carbón Vegetal.

•

Los valores promedio de cenizas presentados en los cuadros 8, 9 y 10 son menores a lo especificado en las normas presentadas por Sánchez (1997), HIBA (1986), FAO (1983), CEN/TC/281 (1996), lo que hace de este carbón susceptible de uso en la industria metalúrgica, ya que ésta requiere especificaciones bajas de contenido de cenizas, Patiño (1989).

•

El contenido de volátiles presente en este carbón y mostrados en los cuadros 8, 9 y 10 son mayores a lo especificado en las normas presentadas por Sánchez (1997), HIBA (1986), FAO (1983), CEN/TC/281 (1996), lo que hace de este carbón poco apto para casi todas las especificaciones de la normas citadas. lxiv

7. RECOMENDACIONES. •

Se recomienda ofrecer el carbón producido de la mitad superior como factible de exportación y de cualquier uso de acuerdo con lo citado en el apartado 3.4 (Especificaciones y Normatividad de Calidad del Carbón Vegetal.

•

Se recomienda ofertar el carbón producido a la industria metalúrgica por presentar bajo contenido de cenizas,

siempre y cuando se mejore la metodología de

carbonización para bajar el contenido de volátiles, o en su defecto separar la mitad superior y ofertar ésta. •

Se recomienda ofertar el carbón producido en la mitad inferior como factible de uso en el mercado nacional y para uso doméstico de acuerdo con lo citado en el apartado 3.4 (Especificaciones y Normatividad de Calidad del Carbón Vegetal.

•

Se recomienda realizar estudios de factibilidad de uso para carbón activado con las especies y tecnología usadas.

•

Se recomienda realizar estudios en el mismo sentido que el presente trabajo con otras tecnologías utilizadas en el país.

lxv

8. BIBLIOGRAFIA CITADA. A la Torre Martínez, Enrique. 1992. Elaboración de carbón en hornos de Mampostería Amatepec, México. Aldana Félix, Lauro Alonso. 2002. Diccionario Ibalpe Enciclopédico. Ediciones Ibalpe, Mazatlán, Sinaloa, México. 1614 p. Bravo García, Luis Ramón. 1995. III Seminario Nacional sobre utilización de encinos Facultad de Ciencias Forestales. Universidad Autónoma de Nuevo León. CEN/TC/281. 1996. Norma para análisis químico de carbón y briquetas. Alemania. 16 p. Delgado Pacheco, Mariano. 1989. Un tipo de horno nuevo en México para la elaboración

de

carbón vegetal de uso industrial. INIFAP-CIFAP, Durango. Earl D., E. Becario. “Andre Mayer”. 1975. Informe sobre el carbón vegetal. Organización de las Naciones Unidas para la agricultura y la alimentación. Roma, Italia. Echenique Manrique, Ramón. 1991. Estructuras de madera. Editorial Limusa. México, DF. FAO. 1983. Métodos simples para fabricar carbón vegetal. Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación. Estudio FAO: Montes No.

41.

Roma, Italia. 154 p. García Sánchez, Felicidad. (1989). Los Encinos del Valle de San Luis Potosí. Memorias de la Primera

Reunión Nacional Sobre Dentroenergía. División de Ciencias Forestales.

Chapingo, México. Girard, Philippe. (1992). Techniques Et Matériels de Carbonisation. Contrôle de performances, Revista, Bois et Foréts des Tropiques número 232, segundo trimestre. 1992.

lxvi

HIBA, 1986. Contrato de exportación de carbón vegetal a Alemania. 35 p. Inédito. INEGI (1991). Carta topográfica de escala 1:50000, vuelo Zacualtipan, numero de carta F14D62. Inoue, Mikihiro. 1996. El carbón vegetal en Japón. Agencia de Cooperación Internacional Japonesa, (JICA). 40 P. Marcos Martín, Francisco. 1989. El Carbón Vegetal. Propiedades y Obtención Ediciones Mundi-Prensa. Madrid, España. 117 p. Martínez Garza, Ángel. 1988. Diseños Experimentales. Métodos y Elementos de Teoría. Editorial trillas. México, DF. 756 p. Morales Recio, Enrique. 1994. Técnicas en la Producción de Carbón a Base de Encino CIFAP-INIFAP, Campo Experimental Forestal, Durango, México. Noram (s/f). Manual de Procedimientos para el Análisis Químico de Carbón. Noram de México, SA de CV, Durango, México. Parr Instruments, CO. (1990). Manual de Operación para la Bomba de Oxigeno Calorimétrica 1341. USA Patiño Valera, Fernando. 1989. Utilización del carbón vegetal. Memorias de la Primera Reunión Nacional Sobre Dentroenergía. División de Ciencias Forestales. Chapingo, México. Patiño Valera, Fernando y Pezet Valdéz, Marisol. 1989. Producción de Carbón Vegetal en Tres Tipos de Hornos. Memorias de la Primera Reunión Nacional Sobre Dendroenergía. División de Ciencias Forestales. Chapingo, México.

lxvii

Patiño

Valera,

Fernando

y

Pezet

Valdéz,

Marisol.

1992.

Tecnología

para

la

Construcción y Operación de Hornos de Mampostería. INIFAP. México. Pérez M., Compean, G. 1989. Características físico-químicas y de producción en carbón de tres tipos de leñas de Durango. INIFAP-Durango. Memorias de la Primera Reunión Nacional Sobre Dendroenergía. División de Ciencias Forestales. Chapingo, México. Sánchez González, Mario (1993). Etnoflora Yucatense. Uso y manejo de la leña en X-Uilub, Yucatán. Universidad Autónoma de Yucatán. Sánchez Rojas, Leonardo.1996. Problemática de la producción de carbón vegetal en hornos fijos de ladrillo en México. Revista Chapingo, Serie “Ciencias Forestales”. Vol. II, num. 1-1996. Sánchez Rojas, Leonardo. 1997. Ponencia “Dendroenergía”

La producción de carbón

vegetal en México. Universidad Autónoma de Nuevo León. Linares, Nuevo León, México. 25 p. Sánchez Rojas, Leonardo y Fajardo Aceves, A. 1989. La producción de carbón vegetal en hornos fijos como fuente de energía. División de Ciencias Forestales, UACh. México. Sánchez Rojas, Leonardo y Vega Fernández, Enrique. 1995. Producción, y Comercialización de Carbón Vegetal en México. División de Ciencias

Consumo Forestales

Universidad Autónoma Chapingo. México. SEMARNAP, 1988. Norma Oficial Mexicana de Procedimiento de Análisis de Suelos y Certificación de Laboratorios. Determinación de

Método

AS-05-1988

con

Picnómetro

para

Densidad Real.

lxviii

Valdivia Acevedo, Reymundo y Sánchez Rojas Leonardo. 2002. Reporte del viaje de estudio realizado a la región de Huayacocotla, Veracruz. División de Ciencias Forestales. Universidad Autónoma Chapingo. México. 15 p.

lxix

9. ANEXOS.

lxx

ANEXO 1. UBICACIÓN DEL EJIDO “LA SELVA”, HUAYACOCOTLA, VER. lxxi

ANEXO 2. MUESTREO SISTEMATICO APLICADO. lxxii

Cuadro 18. Valores medios de cenizas por posición. GRUPO MEDIA (%). POSICIÓN. TUKEY. 4 3.5556 A 2 3.1111 A 5 3.0556 A 1 2.8889 A 3 1.7206 A Cuadro 19. Valores medios de carbono fijo por posición. GRUPO MEDIA (%). POSICIÓN. TUKEY. 1 81.278 A 2 78.204 A 4 77.778 A 3 73.391 A 5 72.648 A Cuadro 20. Valores medios de humedad por posición. GRUPO MEDIA (%). POSICIÓN. TUKEY. 1 8.797 A 5 7.332 A 3 7.074 A 4 5.001 A 2 4.494 A Cuadro 21. Valores medios de material volátil por posición. GRUPO MEDIA (%). POSICIÓN. TUKEY. 3 24.889 A 5 24.296 A 2 18.685 A 4 18.667 A 1 15.833 A

ANEXO 3. VALORES MEDIOS DE PARÁMETROS POR POSICIÓN.

lxxiii

Cuadro 22. Valores medios de densidad por posición. GRUPO MEDIA (%). POSICIÓN. TUKEY. 1 0.50289 A 5 0.49656 A 3 0.48922 A 2 0.48856 A 4 0.47567 A Cuadro 23. Valores medios de poder calorífico por posición. GRUPO MEDIA (%). POSICIÓN. TUKEY. 1 7512.9 A 2 7332.1 A 4 7288.4 A 3 7102.6 A 5 7037.1 A

ANEXO 3. VALORES MEDIOS DE PARÁMETROS POR POSICIÓN.

lxxiv