BRIQUETAS DE BRIQUETAS DE RESIDUOS SÓLIDOS RESIDUOS SÓLIDOS ORGÁNICOS COMO ORGÁNICOS COMO FUENTE DE ENERGÍA FUENTE DE ENERGÍA CALORÍFICA EN CALORÍFICA EN COCINAS NO COCINAS NO CONVENCIONALES CONVENCIONALES Herve Curo, José Gallo, Herve Curo, José Gallo, Victor Llantoy, Victor Llantoy, Andrés Valderrama & Andrés Valderrama & Miguel Ormeño Miguel Ormeño Universidad Nacional Mayor de San Marcos CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACION EN TERMOFLUIDOS - CEDIT
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briquetas de residuos sólidos orgánicos como fuente de energía calorífica en cocinas no convencionales
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BRIQUETAS DE BRIQUETAS DE RESIDUOS RESIDUOS SÓLIDOS SÓLIDOS
ORGÁNICOS COMO ORGÁNICOS COMO FUENTE DE FUENTE DE ENERGÍA ENERGÍA
CALORÍFICA EN CALORÍFICA EN COCINAS NO COCINAS NO
CONVENCIONALESCONVENCIONALES
Herve Curo, José Gallo, Herve Curo, José Gallo, Victor Llantoy, Victor Llantoy,
Andrés Valderrama & Andrés Valderrama & Miguel OrmeñoMiguel Ormeño
Universidad Nacional Mayor de San MarcosCENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACION
EN TERMOFLUIDOS - CEDIT
INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN
La gran La gran demanda de energía que se presenta en los países en vías de demanda de energía que se presenta en los países en vías de
desarrollo como el nuestro y la escasez de los combustibles desarrollo como el nuestro y la escasez de los combustibles
convencionales (Diesel 2, kerosene y GLP), obligan a buscar nuevas convencionales (Diesel 2, kerosene y GLP), obligan a buscar nuevas
fuentes energéticas que posean viabilidad técnica y económica. A esto se fuentes energéticas que posean viabilidad técnica y económica. A esto se
suma el suma el crecimiento de la población, que trae consigo el incremento de la crecimiento de la población, que trae consigo el incremento de la
producción de Residuos Sólidos Domiciliarios (RSD) estimado en un 9.1% producción de Residuos Sólidos Domiciliarios (RSD) estimado en un 9.1%
en los últimos 3 años y el cual repercute en el medio ambiente. en los últimos 3 años y el cual repercute en el medio ambiente.
En este estudio los Residuos Sólidos Orgánicos (RSO), se emplean como En este estudio los Residuos Sólidos Orgánicos (RSO), se emplean como
materia prima principal en la elaboración de briquetas que son incineradas materia prima principal en la elaboración de briquetas que son incineradas
en una cocina no convencional para obtener energía calorífica, siendo una en una cocina no convencional para obtener energía calorífica, siendo una
alternativa de reemplazo a los combustibles tradicionales (kerosene o gas alternativa de reemplazo a los combustibles tradicionales (kerosene o gas
licuado de petróleo). licuado de petróleo).
La elaboración de las briquetas, se realizó a partir de los La elaboración de las briquetas, se realizó a partir de los
residuos domiciliarios (RSD) obtenidos de un sector del distrito residuos domiciliarios (RSD) obtenidos de un sector del distrito
de San Martín de Porres, dónde la producción per. cápita es de de San Martín de Porres, dónde la producción per. cápita es de
0.634 Kg./hab.-día; los RSO representan el 62.5% de estos 0.634 Kg./hab.-día; los RSO representan el 62.5% de estos
RSDs. Los RSO son secados al medio ambiente y mezclados RSDs. Los RSO son secados al medio ambiente y mezclados
con aglutinantes como: aserrín, cal, arcilla; para la mezcla se con aglutinantes como: aserrín, cal, arcilla; para la mezcla se
emplea agua y estiércol de cuy.emplea agua y estiércol de cuy.
Desarrollo del ProyectoDesarrollo del Proyecto
Para un mejor análisis, el proyecto se desarrolló en Para un mejor análisis, el proyecto se desarrolló en 22 etapas etapas::
EtapaEtapa 1.1. Elaboración de las briquetas considerando el tamaño y Elaboración de las briquetas considerando el tamaño y
composición.composición.
Etapa 2.Etapa 2. Análisis del proceso de combustión de cada tipo de briqueta, Análisis del proceso de combustión de cada tipo de briqueta,
y de este modo hallar la briqueta más eficientey de este modo hallar la briqueta más eficiente
La briquetasLa briquetas fueron elaboradas con distintos porcentajes de fueron elaboradas con distintos porcentajes de los siguientes componentes:los siguientes componentes:
RSO secos y no cocidos (cáscaras de papa, arvejas, habas, RSO secos y no cocidos (cáscaras de papa, arvejas, habas, hojas de choclo, hojas de espinacas, corontas de maíz, entre hojas de choclo, hojas de espinacas, corontas de maíz, entre otros). otros).
Aserrín de madera cedro (pudo haber sido de otra madera), Aserrín de madera cedro (pudo haber sido de otra madera), es un aglutinante combustible.es un aglutinante combustible.
Estiércol de cuy, el cuál fue secado y molido.Estiércol de cuy, el cuál fue secado y molido. Arcilla común (aglutinante no combustible).Arcilla común (aglutinante no combustible). Cal, su función es evitar desmoronamientos y la formación de Cal, su función es evitar desmoronamientos y la formación de
grietas en la briqueta.grietas en la briqueta.
Etapa I: Etapa I: Elaboración de las briquetasElaboración de las briquetas
La investigación determina como factores La investigación determina como factores esenciales en la elaboración de las briquetas:esenciales en la elaboración de las briquetas: composición, humedad y densidad. composición, humedad y densidad.
Para la elaboración de las briquetasPara la elaboración de las briquetas se considero el se considero el tamaño (dimensiones) el tipo de briqueta tamaño (dimensiones) el tipo de briqueta (composición) para lo cual se elaboró tres tipos de (composición) para lo cual se elaboró tres tipos de briquetas en tres tamaños distintos:briquetas en tres tamaños distintos:
Cuadro Nº1 Briqueta de 2.5”Cuadro Nº1 Briqueta de 2.5”
BRIQUETA BRIQUETA HÚMEDA (peso HÚMEDA (peso promedio de las promedio de las
muestras muestras
563.2 563.2 gr.gr. 554.8 gr.554.8 gr. 531.3 gr.531.3 gr.
Sobras de Sobras de mezclamezcla
299.8 gr.299.8 gr. 308.2 gr.308.2 gr. 331.7 gr.331.7 gr.
Mezcla totalMezcla total 863 gr.863 gr. 863 gr.863 gr. 863 gr.863 gr.
Cuadro Nº3 Briqueta de 3.5”Cuadro Nº3 Briqueta de 3.5”
Luego de definir las dimensiones y Luego de definir las dimensiones y
los tipos de briquetas a elaborar, se los tipos de briquetas a elaborar, se
realizó el triturado de los RSO y del realizó el triturado de los RSO y del
guano de cuy secos en una molienda.guano de cuy secos en una molienda.
SSe procedió a mezclar los e procedió a mezclar los
componentes componentes secossecos para obtener una para obtener una
mezcla homogéneamezcla homogénea , para luego , para luego
agregarle agua hasta obtener una agregarle agua hasta obtener una
mezcla pastosmezcla pastosa.a.
Para la compactación de la mezcla se Para la compactación de la mezcla se
fabricó moldes de madera con fabricó moldes de madera con
alturas y diámetros de 2.5”, 3.0” y alturas y diámetros de 2.5”, 3.0” y
3.5”. Con éstos, se pudo garantizar 3.5”. Con éstos, se pudo garantizar
la solidez de la masa compactada la solidez de la masa compactada
durante su extracción del molde, durante su extracción del molde,
pesado y transporte hacia el secado.pesado y transporte hacia el secado.
SSe empleó un bajo nivel de presión, e empleó un bajo nivel de presión,
el cual oscila entre 38 y 82kPa, que el cual oscila entre 38 y 82kPa, que
es la presión ejercida por una es la presión ejercida por una
persona promedio.persona promedio.
Las briquetas fueron secadas por Las briquetas fueron secadas por convección libre durante ocho días convección libre durante ocho días de intenso sol, propio del mes de de intenso sol, propio del mes de febrero. Lo ideal hubiese sido febrero. Lo ideal hubiese sido realizar el secado por convección realizar el secado por convección forzada (secador o forzada (secador o deshumedecedor), para evitar que deshumedecedor), para evitar que durante la combustión la humedad durante la combustión la humedad ocasione problemas.ocasione problemas.
La humedad eliminada durante el La humedad eliminada durante el proceso de secado por convección proceso de secado por convección libre, se calculó de la siguiente libre, se calculó de la siguiente manera:manera:
100%
Húmedo
SecoHúmedo
Peso
PesoPesoH
Las diferencias del porcentaje de humedad eliminada en cada tipo Las diferencias del porcentaje de humedad eliminada en cada tipo de briqueta corresponden a la diferencia en su composición. Esto de briqueta corresponden a la diferencia en su composición. Esto quiere decir, que el Tipo 1 requiere de menor cantidad de agua quiere decir, que el Tipo 1 requiere de menor cantidad de agua durante la elaboración a diferencia de los otros tipos que durante la elaboración a diferencia de los otros tipos que contienen aglutinantes que reaccionan de una manera particular contienen aglutinantes que reaccionan de una manera particular con el agua, es el caso de la cal que eleva la temperatura del agua con el agua, es el caso de la cal que eleva la temperatura del agua rápidamente al entrar en contacto.rápidamente al entrar en contacto.
Humedad de la briqueta eliminada durante el secado
62.59
60.54
56.21
52
54
56
58
60
62
64
Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3
Briquetas
Hu
med
ad
Eli
min
ad
a(%
)
Tabla Nº1 Humedad de cada tipo de briqueta
Para el cálculo de la densidad se procedióPara el cálculo de la densidad se procedió a determinar la masa y el a determinar la masa y el volumen de la briqueta secavolumen de la briqueta seca..
En la tabla Nº2 se observa la diferencia entre las densidades de cada En la tabla Nº2 se observa la diferencia entre las densidades de cada briquetabriqueta. És. Éstastas, de forma similar a la humedad, , de forma similar a la humedad, son también el son también el resultado de la composición de cada briqueta, por ello existe una resultado de la composición de cada briqueta, por ello existe una relación inversa entre relación inversa entre ambasambas cantidades. cantidades.
0.50
0.53
0.58
0.46
0.48
0.50
0.52
0.54
0.56
0.58
0.60
Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3
Briquetas
Den
sid
ad (
gr/
cm3)
Tabla Nº2 Densidad de cada tipo de briqueta
Para laPara la perforación de las briquetas, se perforación de las briquetas, se
utilizó un taladro de banco utilizó un taladro de banco (vertical) con (vertical) con
brocas de 3/16, 1/4, 5/16pulg de diámetro brocas de 3/16, 1/4, 5/16pulg de diámetro
para cada tamaño de briqueta (2.5, 3 y para cada tamaño de briqueta (2.5, 3 y
cantidades de carbono e hidrógeno, cantidades de carbono e hidrógeno,
similar a un hidrocarburo. El similar a un hidrocarburo. El
principal insumo de las briquetas principal insumo de las briquetas
como combustible lo constituyen los como combustible lo constituyen los
RSO, éstos poseen una relación RSO, éstos poseen una relación
hidrógeno-carbono H/C de 0.16, hidrógeno-carbono H/C de 0.16,
ligeramente mayor que el petróleo ligeramente mayor que el petróleo
diesel 2 que es de 0.14; este diesel 2 que es de 0.14; este
parámetro es fundamental para parámetro es fundamental para
garantizar la eficiencia de quemado garantizar la eficiencia de quemado
de las briquetas como combustible. de las briquetas como combustible.
Etapa II: Etapa II: Análisis del proceso de combustiónAnálisis del proceso de combustión
Los ensayos consistieron en Los ensayos consistieron en
incinerar dos briquetas de un incinerar dos briquetas de un
mismo tipo para hervir 500ml de mismo tipo para hervir 500ml de
agua en una tetera usando sólo las agua en una tetera usando sólo las
briquetas de 3.5” de diámetro y briquetas de 3.5” de diámetro y
3.5” de altura. Las dos briquetas se 3.5” de altura. Las dos briquetas se
ubican a una distancia de 4.4cm de ubican a una distancia de 4.4cm de
la base de la tetera. Se utilizó una la base de la tetera. Se utilizó una
cocina no convencional que se cocina no convencional que se
ubicó a una distancia de 86cm del ubicó a una distancia de 86cm del
suelo (sobre la mesa). Esta cocina suelo (sobre la mesa). Esta cocina
es comercial y especial para es comercial y especial para
briquetas de carbón mineral o briquetas de carbón mineral o
vegetal. vegetal.
El agua hirvió entre 30-45 minutos; El agua hirvió entre 30-45 minutos;
las briquetas siguieron quemándose las briquetas siguieron quemándose
durante 1h 40min durante 1h 40min
aproximadamente .aproximadamente .
La cantidad de ceniza producida por la combustión de las briquetas se debe a La cantidad de ceniza producida por la combustión de las briquetas se debe a
la composición de cada una de ellas. Dentro de sus componente existen la composición de cada una de ellas. Dentro de sus componente existen
materiales no combustibles cuya degradación (fractura microscópica) se materiales no combustibles cuya degradación (fractura microscópica) se
produce a elevadas temperaturasproduce a elevadas temperaturas. .
Porcentaje de masa de briqueta obtenido como ceniza
8.12
13.27
20.16
0
5
10
15
20
25
Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3
Briqueta
Po
rcen
taje
de
Bri
qu
eta(
%)
Tabla N°3 Cantidad de ceniza
Grafico N°1 Grafico N°1 Variación de la temperatura de las briquetas en función al Variación de la temperatura de las briquetas en función al tiempo, durante la combustión.tiempo, durante la combustión.
Fluctuaciones de la temperatura de cada tipo de briqueta con respecto al tiempo
107.5118.5
155
272
312302
135.6
218
256.2
179
249
220 227
293.5
89.2
284.8
268.5
86.3
142.2
257.2
290272
86
247
0
50
100
150
200
250
300
350
0 5 10 15 20 25 30 35 40tiempo ( min )
Tem
pera
tura
(°C
)
TIPO 1 TIPO 2 TIPO 3
ZONA 1
ZONA 2
La gráfica ha sido particionada en 2 zonas:
En la zona 1.- se observa que la temperatura del Tipo 1 es la menor debido a que en su composición se encuentra materiales de bajo punto de inflamación y esto facilita su encendido, a diferencia de los otro 2 tipos que posee materiales refractarios.
En la zona 2.- se observa que la temperatura de la briqueta de Tipo 1 es la mayor esto se debe a que en la combustión participan todos los componentes, a diferencia de los otros dos tipos que poseen materiales refractarios (cal y arcilla) que solo llegan a calentarse y no participan de la combustión.
Para el cálculo del poder calorífico de cada briqueta se Para el cálculo del poder calorífico de cada briqueta se
necesita el poder calorífico de los componentes que forman necesita el poder calorífico de los componentes que forman
parte de las briquetas y su respectiva densidad. Estos datos parte de las briquetas y su respectiva densidad. Estos datos
fueron insertado a la siguiente formula:fueron insertado a la siguiente formula:
CompNCompNCompCompCompComp
CompNCompNCompNCompCompCompCompCompComp HHHH
%...%%
%...%%
2211
222111
Cuadro N°5 Poder calorífico de los componentes.
ComponenteComponente Poder Calorífico Poder Calorífico (kJ/kg)(kJ/kg)
Densidad Densidad (gr/cm3)(gr/cm3)
RSORSO 1517715177 0.6300.630
Estiércol de cuyEstiércol de cuy 41004100 0.3060.306
AserrínAserrín 1340013400 0.2960.296
CalCal No determinadoNo determinado 0.6400.640
ArcillaArcilla No determinadoNo determinado 1.4601.460
Poder Calorífico de cada tipo de Briqueta
13826
13029
10725
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3
Briquetas
Po
der
Calo
rífi
co
H (
KJ/K
g)
Tabla N° 4 Poder calorífico de las briquetas
En la tabla N° 4 se observa que la briqueta con mayor poder En la tabla N° 4 se observa que la briqueta con mayor poder calorífico es la de Tipo 1, si a esto agregamos que sus calorífico es la de Tipo 1, si a esto agregamos que sus componentes (RSO, aserrín y guano de cuy) son totalmente componentes (RSO, aserrín y guano de cuy) son totalmente desechables se incrementa el interés por producir este tipo de desechables se incrementa el interés por producir este tipo de combustible. combustible.
Comparación entre la briqueta Tipo 1 y los combustibles convencionales
46100 43950 43400 3990033700
19250
42500
13826
0
10000
20000
30000
40000
50000
GLP Gasolina Querosene Diesel 2 GasNatural
Carbón demadera
Metanol Briqueta deRSO Tipo 1
Combustibles
Pode
r Cal
orífi
co (K
J/K
g)Tabla N° 5 Poder calorífico de diferentes tipos de combustibles.
E l poder calorífico de la briqueta Tipo 1 es de 13826 KJ/Kg este valor representa
aproximadamente el 30% del poder calorífico del GLP y el 33% del poder
calorífico del petróleo diesel.
KeroseneKerosene Briqueta de Briqueta de RSORSO
Poder Poder Calorífico(MJ/kg)Calorífico(MJ/kg)
43.4043.40 13.8313.83 29.5729.57
Precio (S/. Por kg)Precio (S/. Por kg) 3.383.38 0.530.53 2.852.85