Universidad Nacional Mayor de San Marcos CENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACION EN TERMOFLUIDOS - CEDIT

BRIQUETAS DE RESIDUOS SLIDOS ORGNICOS COMO FUENTE DE ENERGA CALORFICA EN COCINAS NO CONVENCIONALESHerve Curo, Jos Gallo, Victor Llantoy, Andrs Valderrama & Miguel Ormeo

INTRODUCCINLa gran demanda de energa que se presenta en los pases en vas de energ pa desarrollo como el nuestro y la escasez de los combustibles convencionales (Diesel 2, kerosene y GLP), obligan a buscar nuevas fuentes energticas que posean viabilidad tcnica y econmica. A esto se energ econmica. suma el crecimiento de la poblacin, que trae consigo el incremento de la poblaci producci produccin de Residuos Slidos Domiciliarios (RSD) estimado en un 9.1% en los ltimos 3 aos y el cual repercute en el medio ambiente. ambiente. En este estudio los Residuos Slidos Orgnicos (RSO), se emplean como Org materia prima principal en la elaboracin de briquetas que son incineradas elaboraci en una cocina no convencional para obtener energa calorfica, siendo una energ calor alternativa de reemplazo a los combustibles tradicionales (kerosene o gas licuado de petrleo). petrleo).

La elaboracin de las briquetas, se realiz a partir de los elaboraci realiz residuos domiciliarios (RSD) obtenidos de un sector del distrito de San Martn de Porres, dnde la produccin per. Mart producci per. cpita es de 0.634 Kg./hab.-da; los RSO representan el Kg./hab. 62. 62.5% de estos RSDs. Los RSO son secados al medio RSDs. ambiente y mezclados con aglutinantes como: aserrn, cal, como: aserr arcilla; arcilla; para la mezcla se emplea agua y estircol de cuy. esti cuy.

Desarrollo del ProyectoPara un mejor anlisis, el proyecto se desarroll en 2 etapas: etapas: Etapa 1. Elaboracin de las briquetas considerando el tamao y composicin. composicin.

Etapa 2. Anlisis del proceso de combustin de cada tipo de briqueta, y de este modo hallar la briqueta ms eficiente

Etapa I: Elaboracin de las briquetasLa briquetas fueron elaboradas con distintos porcentajes de los siguientes componentes: componentes: RSO secos y no cocidos (cscaras de papa, arvejas, habas, hojas de choclo, hojas de espinacas, corontas de maz, entre otros). otros). Aserrn de madera cedro (pudo haber sido de otra madera), es un aglutinante combustible. combustible. Estircol de cuy, el cul fue secado y molido. molido. Arcilla comn (aglutinante no combustible). combustible). Cal, su funcin es evitar desmoronamientos y la formacin de grietas en la briqueta. briqueta.

La investigacin determina como factores esenciales en la elaboracin de las briquetas: briquetas: composicin, humedad y densidad. densidad. Para la elaboracin de las briquetas se considero el tamao (dimensiones) el tipo de briqueta (composicin) para lo cual se elabor tres tipos de briquetas en tres tamaos distintos: distintos:

Cuadro N1 Briqueta de 2.5BRIQUETA TIPO IComponentes RSO Estircol de cuy Aserrn Cal Arcilla Subtotal Agua BRIQUETA HMEDA (peso promedio de las muestras Sobras de mezcla Mezcla totalComposicin 111 gr. 32 gr. 16 gr. ----------------------159 gr. 200 ml. % 70 20 10 ----------100 ------

BRIQUETA TIPO IIComposicin 111 gr. 32 gr. 8 gr. 8 gr. -------------159 gr. 200 ml. % 70 20 5 5 -----100 ------

BRIQUETA TIPO IIIComposicin 111 gr. 32 gr. ------------------------16 gr. 159 gr. 200 ml. % 70 20 ----------10 100 ------

Resultados213.2 gr. 212.6 gr. 214.0 gr.

145.8 gr. 359 gr.

146.4 gr. 359 gr.

145 gr. 359 gr.

Cuadro N2 Briqueta de 3BRIQUETA TIPO IComponentes RSO Estircol de cuy Aserrn Cal Arcilla Subtotal Agua BRIQUETA HMEDA (peso promedio de las muestras Sobras de mezcla Mezcla totalComposicin 133 gr. 38 gr. 18 gr. ----------------------189 gr. 300 ml. % 70 20 10 ----------100 ------

BRIQUETA TIPO IIComposicin 133 gr. 38 gr. 10 gr. 8 gr. -------------189 gr. 300 ml. % 70 20 5 5 -----100 ------

BRIQUETA TIPO IIIComposicin 133 gr. 38 gr. ------------------------19 gr. 190 gr. 300 ml. % 70 20 ----------10 100 ------

Resultados342.8 gr. 350.4 gr. 354.7 gr.

146.2 gr. 489 gr.

138.6 gr. 489 gr.

134.3 gr. 490 gr.

Cuadro N3 Briqueta de 3.5BRIQUETA TIPO IComponentes RSO Estircol de cuy Aserrn Cal Arcilla Subtotal Agua BRIQUETA HMEDA (peso promedio de las muestras Sobras de mezcla Mezcla totalComposicin 254 gr. 73 gr. 36 gr. ----------------------363 gr. 500 ml. % 70 20 10 ----------100 ------

BRIQUETA TIPO IIComposicin 254 gr. 73 gr. 18 gr. 18 gr. -------------363 gr. 500 ml. % 70 20 10 5 -----100 ------

BRIQUETA TIPO IIIComposicin 254 gr. 73 gr. ------------------------36 gr. 363 gr. 500 ml. % 70 20 ----------10 100 ------

Resultados563.2 gr. 554.8 gr. 531.3 gr.

299.8 gr. 863 gr.

308.2 gr. 863 gr.

331.7 gr. 863 gr.

Luego de definir las dimensiones y los tipos de briquetas a elaborar, se realiz realiz el triturado de los RSO y del guano de cuy secos en una molienda. Se procedi a mezclar los procedi componentes secos para obtener una mezcla homognea , para luego homog agregarle agua hasta obtener una mezcla pastosa. pastosa. Para la compactacin de la mezcla se compactaci fabric fabric moldes de madera con alturas y dimetros de 2.5, 3.0 y 3.5. Con di 2.5 3.0 3.5 stos, se pudo garantizar la solidez de la masa compactada durante su extracci extraccin del molde, pesado y transporte hacia el secado. Se emple emple un bajo nivel de presin, el cual presi oscila entre 38 y 82kPa, que es la presi presin ejercida por una persona promedio.

Las briquetas fueron secadas por conveccin libre durante ocho das de intenso sol, propio del mes de febrero. Lo ideal hubiese sido realizar el secado por conveccin forzada (secador o deshumedecedor), para evitar que durante la combustin la humedad ocasione problemas. La humedad eliminada durante el proceso de secado por conveccin libre, se calcul de la siguiente manera:

PesoHmedo PesoSeco %H ! v 100 PesoHmedo

Tabla N1 Humedad de cada tipo de briquetaHumedad de la briqueta eliminada durante el secadoHumedad Eliminada(%) 64 62 60 58 56 54 52 Tipo 1 Tipo 2 Briquetas Tipo 3 56.21 62.59 60.54

Las diferencias del porcentaje de humedad eliminada en cada tipo de briqueta corresponden a la diferencia en su composicin. Esto quiere decir, que el Tipo 1 requiere de menor cantidad de agua durante la elaboracin a diferencia de los otros tipos que contienen aglutinantes que reaccionan de una manera particular con el agua, es el caso de la cal que eleva la temperatura del agua rpidamente al entrar en contacto.

Tabla N2 Densidad de cada tipo de briqueta0.60 0.58 Densidad (gr/cm3) 0.58 0.56 0.54 0.52 0.50 0.50 0.48 0.46 Tipo 1 Tipo 2 Briquetas Tipo 3 0.53

Para el clculo de la densidad se procedi a determinar la masa y el volumen de la briqueta seca. seca. En la tabla N2 se observa la diferencia entre las densidades de cada briqueta. stas, briqueta. stas, de forma similar a la humedad, son tambin el resultado de la composicin de cada briqueta, por ello existe una relacin inversa entre ambas cantidades.

Para la perforacin de las briquetas, se utiliz un taladro de banco (vertical) con brocas de 3/16, 1/4, 5/16pulg de dimetro para cada tamao de briqueta (2.5, 3 y 3.5pulg respectivamente). La eleccin de los dimetros de la brocas se hizo de manera que las briquetas soporten el perforado (menor dimetro) y se aproveche el flujo de aire durante la incineracin (mayor dimetro) Cuadro N4. Peso real de las briquetas (luego de la perforacin)Dimensiones (dimetro y altura en pulg.)

Tipo I (gr) 81.40 122.00 207.16

Tipo II (gr) 83.20 131.80 211.00

Tipo III (gr) 84.66 137.00 213.33

2.5 3.0 3.5

Etapa II: Anlisis del proceso de combustinPara que a un determinado material se le considere combustible, en su composicin debe contener cantidades de carbono e hidrgeno, similar a un hidrocarburo. El principal insumo de las briquetas como combustible lo constituyen los RSO, stos poseen una relacin hidrgenohidrgeno-carbono H/C de 0.16, ligeramente mayor que el petrleo diesel 2 que es de 0.14; este parmetro es fundamental para garantizar la eficiencia de quemado de las briquetas como combustible.

Los ensayos consistieron en incinerar dos briquetas de un mismo tipo para hervir 500ml de agua en una tetera usando slo las briquetas de 3.5 de dimetro y 3.5 de altura. Las dos briquetas se ubican a una distancia de 4.4cm de la base de la tetera. Se utiliz una cocina no convencional que se ubic a una distancia de 86cm del suelo (sobre la mesa). Esta cocina es comercial y especial para briquetas de carbn mineral o vegetal. El agua hirvi entre 30-45 minutos; 30las briquetas siguieron quemndose durante 1h 40min aproximadamente .

Tabla N3 Cantidad de ceniza

Porcentaje de masa de briqueta obtenido como ceniza25 Porcentaje de riqueta(%) 20 15 10 5 0 Tipo 1 Tipo 2 riqueta Tipo 3 8.12 13.27 20.16

La cantidad de ceniza producida por la combustin de las briquetas se debe a la composicin de cada una de ellas. Dentro de sus componente existen materiales no combustibles cuya degradacin (fractura microscpica) se produce a elevadas temperaturas. temperaturas.

Grafico N1 Variacin de la temperatura de las briquetas en funcin al N tiempo, durante la combustin.Flu c t u a c io n e s d e la t e m p e r a t u r a d e c a d a t ip o d e b r iq u e t a c o n r e s p e c t o a l t ie m p o350 300

ZONA 1249 247 218

284.8 272 220

312 272 268.5

302 256.2 227

293.5 290 257.2

250 200

Te m p e r a t u r a

179150

142.2 135.6 89.2 86.3 86 107.5 118.5

155

100 50 0

ZONA 2

TIPO 1

TIPO 2

La grfica 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 composicin se encuentra materiales de bajo punto de inflamacin 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 combustin 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 combustin.

0

5

10

15

20 t ie m p o m in

25

30

35

40

TIPO 3

Cuadro N5 Poder calorfico de los componentes.Componente RSO Estircol de cuy Aserrn Cal Arcilla Poder Calorfico (kJ/kg)15177 4100 13400 No determinado No determinado

Densidad (gr/cm3)0.630 0.306 0.296 0.640 1.460

Para el clculo del poder calorfico de cada briqueta se necesita el poder calorfico de los componentes que forman parte de las briquetas y su respectiva densidad. Estos datos fueron insertado a la siguiente formula:

H!

HComp v VComp v %Comp HComp2 v VComp2 v %Comp2 ... HCompN v VCompN v %CompN 1 1 1VComp v %Comp VComp2 v %Comp2 ... VCompN v %CompN 1 1

Ta N 4 P d r c lo bla o e a rfic d la briq e s o e s u taPode r Calorfico de cada tipo de Brique ta 16000 Poder Calorfico H ( 13826 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 Tipo 1 Tipo 2 Brique tas Tipo 3 13029 10725

En la tabla N 4 se observa que la briqueta con mayor poder N calorfico es la de Tipo 1, si a esto agregamos que sus componentes (RSO, aserrn y guano de cuy) son totalmente desechables se incrementa el inters por producir este tipo de combustible.

Ta b la N 5 P o d e r c a lo rfic o d e d ife re n te s tip o s d e c o m b u s tib le s .

Comparacin entre la briqueta Tipo 1 y los combustibles convencionales50000 Poder Calorfico (KJ/Kg) 40000 30000 20000 10000 0 GLP Gasolina Querosene Diesel 2 Gas Natural Carbn de madera Metanol Briqueta de RSO Tipo 1 46100 43950 43400 42500 39900 33700 19250 13826

Combustibles

E l p o d e r ca lo rfico d e la b riq u e ta Tip o 1 e s d e 1 3 8 2 6 KJ/Kg e s te va lo r re p re s e n ta a p ro xim a d a m e n te e l 3 0 % d e l p o d e r ca lo rfico d e l G L P y e l 3 3 % d e l p o d e r ca lo rfico d e l p e tr le o d ie s e l.

Comparacin de costosKerosenePoder Calorfico(MJ/kg) Precio (S/. Por kg) Equivalencia energtica (kg) Peso de Equivalencia en (S/.) 43.40 3.38 1

Briqueta de RSO13.83 0.53 3.14

(29.57 2.85 ________

3.38

1.66

1.72

Del cuadro mostrado se puede observar que hay una variacin de S/. .

entre

el precio del kerosene y la briqueta ipoen peso

segn su equivalente energtico

ConclusionesEl tamao ptimo de briqueta fue la de 3.5 de dimetro y de altura. altura. El nivel de compactacin (entre 38 y 82kPa) empleado para la 82kPa) elaboracin de la briquetas Tipo 1 y Tipo 2, permiti mantener su forma durante el secado, perforacin y gran parte de la combustin. combustin. El contenido de arcilla en la briqueta Tipo 3 perjudic su solidez. solidez. La briquetas Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3 tienen (8, 13 y 20)% de 20) cenizas respectivamente, debido a que poseen 0% arcilla, 5% de cal y 10% de arcilla respectivamente, lo que determinan que 10% estas cenizas pueden ser utilizadas como fertilizante para terrenos agrcolas, adems de contener elementos biodegradables. biodegradables.

La densidad de las briquetas Tipo 1 es mayor en 10% a la 10% densidad de la briqueta Tipo 2 y esta a su vez es mayor en 6% que la briqueta Tipo 3. Debido a la presencia en su composicin de 10%, 5% y 0% de aserrn respectivamente. 10% respectivamente. El poder calorfico inferior de las briquetas Tipo 1 es de 13826kJ/kg, 13826kJ/kg, del Tipo 2 de 13029kJ/kg y del Tipo 3 es de 13029kJ/kg 10725kJ/kg. 10725kJ/kg. Esta variacin se debe a la presencia en su composicin de 10%, 5% y 0% de aserrn respectivamente y 10% a la presencia del 5% de cal en la briqueta Tipo 2 y al 10% de 10% arcilla en la briqueta Tipo 3, que no desprenden calor si no hasta despus de los 500C. 500C. La diferencia de precios entre el kerosene y las briquetas es de S/. 1.72 de acuerdo a su equivalente energtico. S/. energtico.

observacionesLas briquetas producen en su interior llama amarilla, durante 10 minutos. minutos. Las briquetas Tipo 2 producen o emanan humo de color blanco (combusti fr (combustin fra) con intensidad elevada y abundante y las de Tipo 1 producen humo de color azul no muy pronunciado (combusti te (combustin terica o estequiomtrica), su accin sobre el olfato estequiom acci humano es mucho mas irritante que el humo de la briqueta Tipo 2 y Tipo 3. Asimismo la briqueta Tipo 3 present al igual que el present Tipo 2 humo color blanco de intensidad baja y en poca cantidad. cantidad. La briquetas Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3, demostraron fcil encendido y lo hacen rpidamente sin necesidad de aditivos

Muchas gracias