Reducción de las emisiones de gases contaminantes en el proceso de carbonización de madera proveniente de 5 especies de reforestación de Costa Rica

Abstract

Costa Rica produce una cantidad considerable e importante de residuos de madera. Estos residuos pueden ser pirolizados para producir carbón como producto principal, el cual puede ser utilizado como fuente de energía o para el tratamiento de suelos para diferentes cultivos. Sin embargo, existe una falta de información sobre los materiales obtenidos a diferentes temperaturas de pirólisis. Por lo tanto, este estudio determinó el rendimiento de diferentes productos de pirólisis y el desempeño de un pequeño reactor piloto para pirólisis lenta con cinco temperaturas (300, 350, 400, 450 y 500 °C) y para evaluar la calidad del carbón (física, mecánica, análisis final y análisis FTIR), las características del carbón como fuente energética (propiedades energéticas y análisis termogravimétrico—TGA) y sus características como biocarbón (conductividad, pH, ángulo de contacto inicial y tasas de humectación) producido de 5 residuos de madera. En relación con el rendimiento de los diferentes productos de pirólisis y el rendimiento del pequeño reactor piloto, los resultados mostraron que las temperaturas de 300-350 °C no son recomendables, porque la madera madre no se pirolizó completamente. Los rendimientos de carbón se mantuvieron estables entre 400-500 °C. La temperatura de 500 °C maximizó los gases condensables (vinagre de madera y bio-oil) y no condensables, pero presentó el rendimiento de carbón más bajo y este carbón era quebradizo. Gmelina arborea y Dipteryx panamensis tuvieron un rendimiento diferente al de Hieronyma alchorneoides y Tectona grandis. G. arborea produjo un mayor porcentaje de gases no condensables, pero la separación de vinagre de madera y bio-diesel fue difícil de llevar a cabo. D. panamensis produjo un bajo rendimiento de carbón, pero hubo una ventaja, se produjo el mayor porcentaje de gases condensables. T. grandis y H. alchorneoides produjeron porcentajes similares de diferentes productos y temperaturas en el reactor. La madera de D. panamensis fue lenta para iniciar el proceso de pirólisis, y durante este proceso tuvo una temperatura más alta que las otras especies, pero como T. grandis y H. alchorneoides. Mientras que la madera madre de G. arborea, el inicio de la pirólisis fue como la de las otras especies, pero tuvo un tiempo de pirólisis más largo en las diferentes temperaturas. En cuanto a la calidad del carbón, se encontró que la temperatura de pirólisis entre 450 °C y 500 °C produjo carbones con valores más bajos de densidad, contenido de humedad, resistencia a la compresión, volátiles, contenido de H y O, y valores más altos de contenido de C y cenizas, conductividad, pH, ángulo de contacto inicial y tasas de humectación. Los análisis FTIR y TGA muestran que las celulosas y la lignina se pirolizan completamente a estas temperaturas, por lo que se recomiendan estas temperaturas. El rango de temperaturas de 300–350 °C no se recomienda, ya que estos parámetros fueron inversos.

Costa Rica produces a considerable important quantity of wood residues. This waste can be pyrolyzed to produce charcoals as main products that can be effectively used as an energy source or to immobilize carbon for soil treatment. However, there is a lack of information about the pyrogenic carbonaceous materials (PCMs), such as charcoal or biochar, obtained at different pyrolysis temperatures. Hence, this study determined the yield of different pyrolysis products and the performance of small pilot reactor for slow pyrolysis with five temperatures (300, 350, 400, 450 and 500 °C) and to evaluate the quality of PCMs (physical, mechanical, ultimate analysis, and FTIR analysis) and charcoal characteristics (energetic properties and thermogravimetric analysis—TGA) and biochar characteristics (conductivity, pH, initial contact angle, and wetting rates) for four tropical wood residues produced. In relation to the yield of different pyrolysis products and the performance of small pilot reactor, the results showed that temperatures of 300-350 °C are not recommended, because parentwood was not pyrolyzed completely. Charcoal yields were stable between 400-500 °C. Temperature 500 °C were maximized condensable (wood vinegar and bio-oil) and non-condensable gases, but there were the lowest charcoal yield and this charcoal was brittle. Gmelina arborea and Dipteryx panamensis had different performance than Hieronyma alchorneoides and Tectona grandis. G. arborea produced a higher percentage of non-condensable gases, but the separation of wood vinegar and bio-oil was difficult to carry out. D. panamensis produced a low charcoal yield, but there was an advantage, the greatest percentage of condensable gasses was produced. T. grandis and H. alchorneoides produced similar percentages of different products and temperatures into the reactor. D. panamensis parentwood was only slow to start the pyrolysis process, and during this process, it had a higher temperature than the other species, but like T. grandis and H. alchorneoides. While G. arborea parentwood, the beginning of pyrolysis was like the other species but had longest pyrolysis time at different temperatures. Into charcoal quality, it was found that the pyrolysis temperature between 450 °C and 500 °C produced charcoals with lower values of density, moisture content, compression strength, volatiles, H and O content, and higher values of C and ash contents, conductivity, pH, initial contact angle, and wetting rates. FTIR and TGA analyses show that celluloses and lignin are pyrolyzed at these temperatures, so these temperatures are recommended. The temperature range of 300–350 °C is not recommended, as these parameters were inverse.