Un producto relativamente sencillo y antiguo resulta prometedor para mitigar los efectos negativos del cambio climático, al tiempo que mejora la calidad del suelo, produce energía y reduce los residuos. Se trata del biocarbón, una sustancia negra, de grano fino, muy porosa y ligera, con una gran superficie. Con un contenido de carbono de alrededor del 70%, también contiene oxígeno, nitrógeno, hidrógeno y otros elementos, dependiendo del material con el que se fabrica el biocarbón y de cómo se calienta.
La producción de biocarbón en realidad reduce el dióxido de carbono durante la producción, por lo que se considera un material de carbono negativo, ya que toma el carbono inestable de la materia orgánica en descomposición y lo convierte en una forma estable. Una vez colocado en el suelo, mantiene el carbono seguro en la tierra durante cientos, o incluso miles, de años. Antes de ver cómo procesar y utilizar el biocarbón, respondamos primero a estas dos preguntas: "¿Qué es el biocarbón?" y "¿Para qué se utiliza el biocarbón?"
¿Qué es el biocarbón?
¿Qué es el biocarbón? Utilizado desde hace milenios por varias culturas para mejorar y mantener la fertilidad del suelo, el biocarbón se fabrica a partir de residuos orgánicos. Es el resultado de calentar la biomasa a temperaturas entre 300-700°C (572-1292°F) mientras se le priva de oxígeno. El biocarbón se fabrica mediante un proceso llamado pirólisis lenta, y puede producirse a partir de una amplia variedad de materias primas de biomasa.
Los ingredientes del biocarbón son:
- residuos agrícolas
- estiércol animal
- el bagazo
- residuos urbanos verdes
- productos de papel
- cáscara de arroz
El biocarbón se conoce a veces como agrichar, pirochar o simplemente char. A veces se denomina carbón negro, pero excluye los tipos que no se fabrican a partir de residuos de biomasa o que se producen a partir de derivados de combustibles fósiles. A veces el biocarbón se llama simplemente carbón vegetal, que es esencialmente lo que es. Sin embargo, a diferencia de muchos carbones utilizados para cocinar, no tiene ninguno de los aditivos que ayudan a su combustión.
Una breve historia: ¿De dónde viene el biocarbón?
Aunque se considera una estrategia moderna para secuestrar carbono, los orígenes del biocarbón son antiguos. El uso de biomasa carbonizada para mejorar la calidad del suelo se remonta a una práctica utilizada en la cuenca del Amazonas hace más de dos mil años. Allí, las tribus indígenas utilizaban una mezcla de carbón vegetal, huesos, cerámica rota, materia orgánica compostada y estiércol para añadir nutrientes a los suelos de la cuenca del Amazonas, donde la lluvia y el viento no son suficientes. suelo forestal pobre en nutrientes de la cuenca del Amazonas, donde la lluvia y las inundaciones lixivian gran parte de los nutrientes del suelo.
Conocida en portugués como "terra preta" y en inglés como "black (or dark) earth" (tierra negra u oscura) debido a su contenido en carbón vegetal, es en gran medida el resultado de las técnicas de gestión del suelo y de la agricultura de tala y extracción de carbón. La terra preta contiene nutrientes como el calcio, el manganeso, el nitrógeno, el fósforo y el zinc, y presenta una importante actividad microorgánica.
Los orígenes de estos suelos se remontan a las comunidades agrícolas que existieron en la Amazonia entre el 450 a.C. y el 950 d.C., que en algunos lugares alcanzaban profundidades de hasta dos metros (6,6 pies). Actualmente se cree que la terra preta se formó a partir de los desechos de la cocina que se arrojaban en vertederos, aunque hay pruebas de que también se utilizaba para cultivar zonas más amplias alrededor de estos asentamientos. El suelo menos fértil, llamado "terra mulata", probablemente se mejoraba añadiendo terra preta para hacer más fértiles los suelos pobres en nutrientes del suelo del bosque.
Quedan pocas pruebas de estas antiguas comunidades forestales, ya que se cree que gran parte de su arquitectura estaba hecha de madera, que se descompone rápidamente en condiciones tropicales. Sin embargo, se han descubierto pruebas de estructuras hechas por el hombre y geoglifos similares a las líneas de Nazca en Perú en zonas deforestadas de la cuenca del Amazonas. Sin embargo, lo que más ha despertado el interés de los científicos de todo el mundo es el uso de sus sofisticadas técnicas agrícolas, que utilizaban biocarbón para atrapar el carbono en el suelo.
¿Para qué se utiliza el biocarbón?
Existen varios métodos para aplicar el biocarbón a las tierras agrícolas. El uso del biocarbón depende en gran medida de cómo y de qué se fabrica, así como de las condiciones específicas de la tierra a la que se añade. Cuando se utiliza para la agricultura, el biocarbón suele mezclarse con compost u otros materiales que fomentan el crecimiento de organismos beneficiosos. El biocarbón sigue utilizándose en gran medida para su propósito original, complementar los suelos pobres en nutrientes que han sido degradados.
Las aplicaciones para las que se utiliza el biocarbón son, entre otras, las siguientes
- añadir humedad a la suciedad
- aumento de la estructura del suelo
- mejorar la calidad y la retención del agua
- disminución de las emisiones de óxido nitroso
- mejorar las propiedades microbianas
- mejorar la salud y la fertilidad del suelo
- aumentar la productividad agrícola
- reducir las emisiones de gases de efecto invernadero
- promover la conductividad eléctrica
- aumentar el pH y disminuir la acidez del suelo
- reducir la presión sobre los bosques antiguos
- regulación de la lixiviación del nitrógeno de la tierra
- saneamiento de tierras contaminadas
El biocarbón ayuda al compostaje reduciendo los gases de efecto invernadero que se liberan cuando el material se descompone, además de promover la actividad de los microbios para acelerar el proceso. Además, ayuda a reducir la pérdida de amoníaco, la densidad aparente y el olor resultante del compostaje.
¿Por qué es bueno el biocarbón para el medio ambiente?
Un uso más moderno del biocarbón es el secuestro de carbono en el suelo para mitigar el cambio climático. Aunque se desconoce el tiempo que el biocarbón mantiene el carbono contenido en el suelo, ciertas estimaciones sugieren que podría hacerlo hasta cinco mil años. De hecho, el biocarbón ofrece una solución inmediata para reducir los residuos agrícolas y el impacto negativo de las operaciones agrícolas a gran escala.
Cuando la materia orgánica se descompone de forma natural o se quema, libera grandes cantidades de dióxido de carbono. Al almacenar el carbono en la tierra, el biocarbón presenta un medio para reducir significativamente los gases de efecto invernadero que contribuyen al cambio climático, actuando esencialmente como un sumidero de carbono. Debido a que la producción varía considerablemente en función de la composición de las materias primas, las condiciones en las que se procesa y los diferentes niveles de tecnología utilizados, el biocarbón no puede considerarse una mercancía.
Se ha sugerido que los agricultores de subsistencia de África central que utilizan técnicas agrícolas de tala y quema se beneficiarían enormemente del biocarbón, contribuyendo al desarrollo sostenible y ayudando a aliviar la pobreza. Al añadir nutrientes al suelo, el biocarbón también puede abordar la inseguridad alimentaria haciendo que las tierras agrícolas pobres en nutrientes sean más productivas. Los agricultores de subsistencia ya no tendrían que desplazarse y talar árboles para despejar la tierra para la agricultura, lo que reduciría la deforestación y la pérdida de biodiversidad.
Además, el biocarbón puede utilizarse como combustible para cocinar o incluso para producir energía a pequeña escala. Como subproducto del procesamiento, la producción de biocarbón también produce energía de forma limpia y renovable, sustituyendo a los combustibles fósiles que contribuyen al cambio climático. Aunque puede utilizarse para filtrar el agua directamente, el biocarbón también reduce la contaminación de las aguas subterráneas y retiene la humedad en el suelo, una ventaja para los agricultores de las zonas propensas a la sequía.
Solo o mezclado con otros aditivos para el suelo, también puede hacer frente a numerosos retos relacionados con la agricultura, los ecosistemas y los bosques. Además, varias agencias gubernamentales estadounidenses están investigando cómo puede utilizarse el biocarbón para remediar el medio ambiente uniéndose a las sustancias químicas y los metales pesados presentes en la escorrentía procedente de campos y carreteras.
¿Cómo se procesa el biocarbón?
Ahora que sabemos para qué se utiliza el biocarbón, veamos cómo se fabrica. El método moderno más común para producir biocarbón implica un proceso llamado pirólisis. Esto significa esencialmente que la biomasa se descompone por el calor en condiciones de poco oxígeno. La materia prima ideal para producir biocarbón tiene un contenido de humedad de entre el 10 y el 20%, con un alto contenido de lignina. Estas materias primas pueden ser los residuos de los campos después de la cosecha o la biomasa leñosa. Sin embargo, hay que tener cuidado de no utilizar materias primas contaminadas, ya que se introducirán estas toxinas en el suelo. Aunque en la actualidad los proyectos de biocarbón sólo se llevan a cabo a pequeña escala, la tecnología se ha desarrollado lo suficiente como para tener un impacto significativo en el secuestro de carbono.
Para que la pirólisis se realice correctamente, debe pasar por los siguientes pasos:
1. Secado y acondicionamiento
Aunque las proporciones difieren según la materia prima, la biomasa suele tener cinco elementos básicos. Se trata de celulosa, hemicelulosa, lignina, minerales (básicamente cenizas) y agua. En primer lugar, se elimina la mayor parte de la humedad de la biomasa calentándola por encima de los 100°C (212°F). Una vez que alcanza los 150°C (302°F), la biomasa comienza a descomponerse y ablandarse, un proceso conocido como acondicionamiento. Durante este proceso, la biomasa libera el agua ligada químicamente, junto con pequeñas cantidades de dióxido de carbono y compuestos orgánicos volátiles (COV). Para obtener un alto rendimiento de biocarbón de calidad, lo ideal es que tenga un contenido de humedad de alrededor del 15% al entrar en el horno de pirólisis.
2. Torrefacción
La biomasa se calienta aún más hasta que alcanza entre 200-280°C (392-536°F), lo que hace que los enlaces químicos dentro de la biomasa se rompan. Este proceso se denomina endotérmico, ya que requiere un aporte de calor para aumentar la temperatura y provocar la ruptura de los enlaces moleculares. Este proceso libera ácido acético, metanol y COVs oxigenados. También se emite monóxido de carbono y dióxido de carbono durante esta etapa, ya que la celulosa y la hemicelulosa se rompen. En este punto, la biomasa torrefacta es más frágil que al principio, por lo que la molienda será más fácil y consumirá menos energía. En esta fase, la biomasa puede almacenarse para su posterior procesamiento, ya que puede resistir la absorción de agua y la degradación biológica. Los vapores resultantes de la pirólisis a baja temperatura se condensan para convertirse en ácido piroligno, conocido también como humo líquido, agua de humo o vinagre de madera. Esta sustancia puede utilizarse para ayudar a la germinación de las semillas, promover el crecimiento de las plantas, acelerar el compostaje o como medio para mejorar la eficacia del biocarbón.
3. Pirólisis exotérmica
Dependiendo de la materia prima inicial, la descomposición térmica de la biomasa se intensifica entre 250-300°C (482-572°F), liberando una mezcla de dióxido de carbono, monóxido de carbono, hidrógeno, metano y otros hidrocarburos, junto con alquitrán. El proceso se vuelve ahora exotérmico, ya que los grandes polímeros de la biomasa se rompen y liberan energía. Esto libera algo de oxígeno dentro de la biomasa, que entonces reacciona con el carbón y los gases. Al liberar energía, los enlaces químicos se rompen aún más y el proceso se autoalimenta hasta alcanzar unos 400°C (752°F), una vez agotado todo el oxígeno, lo que deja un residuo similar al carbón vegetal, rico en carbono. De este modo, se alcanza un rendimiento máximo antes de que finalice el proceso de pirólisis exotérmica, dejando niveles variables de cenizas en función de la materia prima inicial. En el caso del biocarbón de madera, entre el 1,5 y el 5% es contenido de cenizas, entre el 25 y el 35% se compone de COV y el carbono fijo constituye el resto, entre el 60 y el 70%.
4. Pirólisis endotérmica
El biocarbón restante después de la pirólisis exotérmica todavía contiene cantidades significativas de COV. Para aumentar el contenido de carbono fijo, es necesario un mayor calentamiento, que también aumenta la porosidad y el área de la superficie, eliminando los COV. Normalmente se necesitan temperaturas de 550-600°C para lograr un contenido de carbono del 80-85 por ciento, con un contenido de COV inferior, de alrededor del 12 por ciento. Estas temperaturas suelen producir un 25-30 por ciento de lo que pesaba la materia prima original.
5. Activación y gasificación
A medida que las temperaturas superan los 600°C (1112°F), la introducción de pequeñas cantidades de aire y vapor elevará la temperatura de la superficie a 700-800°C (1292-1472°F).
Esto hace que se produzcan dos procesos:
- Activación: La combinación de aire, calor y vapor activa la superficie del biocarbón para que libere más COV, lo que aumenta la superficie y disminuye el rendimiento.
- Gasificación: Cuando se introducen grandes cantidades de aire y/o vapor en este proceso, se produce un gas relativamente limpio que puede generar electricidad, aunque da lugar a rendimientos más bajos de biocarbón con un alto contenido de cenizas.
Las materias primas con alto contenido en cenizas que se someten a este proceso pueden hacer que los minerales y otros compuestos inorgánicos se fundan. La contrapartida de producir biocarbón mediante la gasificación del biocarbón en lugar del método de pirólisis lenta es la mayor probabilidad de que haya compuestos tóxicos dentro del biocarbón, y su reacción puede ser diferente.
Maquinaria Prater para la producción de biocarbón
Prater Industries construye equipos industriales y desarrolla sistemas utilizados en la producción de biocarbón. Los equipos de la empresa son de última generación, resistentes, duraderos y fiables, y ofrecen soluciones para los procesadores de biocarbón con rendimientos de alta capacidad o con requisitos de producción más pequeños. Los molinos de martillos, las trituradoras finas y los molinos clasificadores de Prater proporcionan eficiencia funcional en condiciones difíciles para cualquier sistema de procesamiento de biocarbón.
Hammermills
Prater lleva vendiendo martillos desde su fundación hace casi un siglo. Durante este tiempo, la empresa ha perfeccionado e innovado sus diseños originales, personalizando sus molinos de martillos para que funcionen de forma óptima en diversas condiciones y para aplicaciones específicas. La utilización de una cámara de molienda hecha con zonas separadas para la molienda y el desprendimiento, permite que el producto se introduzca en ella desde la parte superior de la unidad. A continuación, los martillos de alta velocidad impactan sobre el material, forzándolo contra las placas de corte fijas situadas en la parte superior de la cámara. Los molinos de martillos de Prater están diseñados para procesar la biomasa de forma eficiente, eliminando las partículas de tamaño indeseable. Descargan en una tolva situada debajo del molino, donde sistemas neumáticos o transportadores mecánicos trasladan el material a la siguiente etapa. Prater ofrece una gama completa de martillos, cribas y otros implementos para personalizar nuestros molinos de martillos para cualquier aplicación de molienda de biocarbón.
Molinos finos
Los molinos finos de Prater funcionan por impacto a alta velocidad. La biomasa en bruto puede introducirse a través de medidores en el centro del molino, donde las palas del rotor provocan colisiones entre las partículas individuales. Las trituradoras finas de Prater aceleran el material hacia el exterior para mejorar el cizallamiento y el impacto contra las cribas y las mandíbulas estáticas de la trituradora. Las mandíbulas estáticas hacen que las partículas se desaceleren, lo que maximiza la velocidad de impacto y hace que reboten contra las palas del rotor. Una vez dimensionada adecuadamente, la biomasa procesada puede ser arrastrada a través de una criba y transportada a la siguiente etapa de procesamiento.
Molinos clasificadores
Cuando se trata de la clasificación por aire, los molinos clasificadores de Prater funcionan en tres etapas.
Estos son:
- Primera etapa de molienda: Transporta el aire y el material desde la parte posterior del rotor hacia las palas de molienda, que impactan y aceleran las partículas hacia el exterior, al tiempo que facilitan las colisiones adicionales contra las mandíbulas y las cribas.
- Etapa de clasificación: Después de la primera etapa de molienda, las partículas se reúnen fuera de la cámara de molienda, con tomas secundarias que suministran aire neumático para ayudar a fluidificar y enfriar las partículas. Al arrastrar el material hacia el interior del rotor de clasificación, éste separa las partículas por tamaño, pasando las de tamaño correcto por el rotor y transportándolas neumáticamente a la siguiente etapa. Las partículas rechazadas durante este proceso se recirculan.
- Segunda etapa de molienda: Las partículas rechazadas vuelven a entrar en la parte delantera del rotor, y las palas de molienda vuelven a acelerar e impactar las partículas hacia el exterior. Los segmentos del anillo de molienda reducen el tamaño de forma más agresiva, y el material se combina con otras partículas de tamaño adecuado hacia el clasificador.
