1. Introducción
El consumo desmedido de los recursos naturales por los seres humanos ha causado grandes estragos en el medio ambiente. Este trabajo se centra en el aprovechamiento del estiércol de alpaca; que se crían como ganado en las partes altas de Arequipa, como es en el distrito de San Antonio de Chuca - Imata; aquí se crían llamas, alpacas y ovejas; en esta localidad, el estiércol no se usa en la agricultura debido a la altura que está sobre los 4000 m.s.n.m. y la temperatura media en el año oscila entre - 10 °C por la noche y en el día hasta 12 °C; por lo que el estiércol del ganado no puede ser usado como abono para la agricultura.
Nuestro interés es la elaboración de briquetas de estiércol, para ser usados en los hogares de esta localidad como combustible para la cocción de sus alimentos. Valderrama et al. [1] estudió el poder calorífico de briquetas de estiércol de cuy con aglomerados, la combustión de las briquetas alcanza temperaturas medias superficiales entre valores de 250°C - 400 °C; esta variación se debe a que la cal y la arcilla logran disminuir el poder calorífico de las briquetas y lo hacen gradualmente de acuerdo al porcentaje en peso en su composición; el punto de inflamación de las briquetas fluctúan entre 86 - 90 °C y poder calorífico de 10.7 MJ/kg. Paniego [2] estudio la combustión del excremento de ganado, como combustible único en hogares rurales de España. Beraztegui et al. [3] concluye que los valores de durabilidad se logran usando carbón en porcentajes de 7 a 25%, aglomerante menor al 6% y contenido de biomasa hasta un 70%. Mendoza et al. [4] concluye que la elaboración de briquetas con un 100% de estiércol de ganado bovino, no es viable debido al alto contenido de cenizas que este presenta. Valiente [5] los resultados para briquetas en base a residuos de arroz, con humedad de 48.53%, contenido de ceniza de 9.89% y poder calorífico de 14.1 MJ/kg. Suryaningsih et al. [6] concluye que para incrementar la combustión de las briquetas las partículas deben ser de dimensiones pequeñas (malla 100).
2. Materiales y Metodología
2.1 El proceso de fabricación
La biomasa utilizada para el estudio es estiércol de alpaca e ichu como material base para la fabricación de briquetas, los cuales fueron recolectados del distrito de San Antonio de Chuca - Imata (15°55′43″S 71°06′31″O), Perú. Los aditivos fueron agua y cal como aglomerante. El primer paso es el proceso de molido mecánico y refinado del tamaño de las partículas del estiércol utilizando el tamiz de malla 1 mm, con el fin de garantizar la compactación y el acabado superficial para la mezcla. Para compactación de las briquetas se ejerció presión en moldes cilíndricos huecos con dimensiones de 8 cm de diámetro y 7.5 cm de alto y un radio interno de 2 cm. Finalmente estas fueron desmoldadas y expuestas al sol en el Distrito de San Antonio de Chuca - Imata, durante un periodo de 6 días.
Briqueta | (AIc) | ||
---|---|---|---|
Componente | Formulación | Cantidad | |
% | Masa (g) | (unidades) | |
Estiércol de Alpaca | 80 | 2000 | 27 |
Ichu | 18 | 450 | |
Cal | 2 | 50 | |
Subtotal | 100 | 2500 | |
Cantidad de Agua | 2100 |
2.2 Contenido de humedad y densidad
Para Castells [7], la humedad es el factor más crítico en los combustibles de biomasa, porque determina la energía que se puede obtener durante la combustión. Si el contenido de humedad es alto, el poder calorífico es menor. Para determinar el CH se midió la masa de la briqueta seca (PBs) y la masa de la briqueta húmeda (PBh) [8]. El contenido de humedad se calculó según la ecuación (1):
Donde CH es el contenido de la humedad, PBs es la masa de las briquetas secas en gramos, PBh es la masa de las briquetas húmedas en gramos.
Para determinar su densidad, se usa la ecuación (2):
2.3 Prueba térmica
La prueba térmica es parte esencial para conocer la tasa de combustión de las briquetas. La temperatura de combustión de la muestra se mide de acuerdo a la ecuación (3) [6]:
Además, Mb (g)=Mi (g)-Mr (g)
Donde TC es la tasa de combustión, Mb es masa de briquetas en llamas, Mi es la masa inicial de briquetas, Mr es la masa de briquetas restante (ceniza).
2.4 Evaluación del poder calorífico de la briqueta por calentamiento del agua
Para estimar el poder calorífico, se quemó 30g de briquetas en una cocina diseñada para este propósito, para transferir calor a la olla que contiene 1000 g de agua y registrar el aumento de temperatura que alcanza el agua. El calor se calculó según las ecuaciones (4) y (5).
2.5 Contenido de Cenizas
La ceniza es un componente que se obtiene a partir de la combustión de las briquetas de acuerdo a la ecuación (6) [9]:
Dónde: CC = contenido de ceniza Mo= masa de la muestra inicial y del platillo antes de incinerar (g); M= masa del platillo y ceniza (g); Mso= masa de la muestra antes de la ceniza (g).
2.6 Índice de Friabilidad
Es el índice de resistencia al impacto (IRI), el cual consiste en dejar caer repetidas veces la briqueta desde una altura de 2 m o 1,8 m. Es el cociente entre el promedio del número de caídas y el promedio del número de trozos formados, si hay rupturas, dando una idea bastante aproximada de la resistencia de las briquetas. Este ensayo se considera como el más útil para predecir la resistencia global de una briqueta [10], el cual fue calculado según la ecuación (7):
Dónde: NL es el número de lanzamientos, NP es el número de pedazos (briqueta fraccionada).
La norma utilizada como base para la realización de este ensayo es la ASTM D440 - 86. El mínimo valor para que las briquetas (biocombustible) sean aceptables comercialmente es IFR=50.
3. Resultados y Discusión
3.2 Resultados de la Prueba Térmica
Para la prueba térmica se utilizaron briquetas de 88g y para medir la temperatura se utilizó un termómetro infrarrojo (FLUKE). Los resultados se muestran en la Fig.3.
La tasa de combustión indica la velocidad a la cual se consume la briqueta en un segundo. Entonces según la ecuación (3) obtenemos:
3.3 Prueba de la briqueta para calentar el agua
La cantidad de agua en la olla fue de 1000 g y la masa de briquetas empleada para calentar el agua fue 30 g con un tiempo de 2100 segundos. La briqueta tuvo una combustión completa debido a la forma de la briqueta de estiércol de alpaca e ichu. Además, esta tiene un orificio en el medio, permitiendo una buena circulación de oxígeno.
Considerando el poder calorífico del eucalipto igual a 17.1 MJ/kg [11], con el fin de estimar el poder calorífico de la briqueta en estudio y empleando la tabla número III, la cual muestra la eficiencia de la cocina empleada.
Al haber estimado la eficiencia de la cocina podemos obtener el poder calorífico estimado para la briqueta de estiércol de alpaca e ichu. Considerando la masa de agua 1000 g y la masa de la briqueta 30 g, empleamos la ecuación (5).
3.4 Resultados de la prueba de friabilidad
Los resultados para obtener el índice de friabilidad son obtenidos utilizando la ecuación (7). Los resultados se muestran en la tabla IV.
En la tabla IV se observa, que el índice de friabilidad es de 166,7 para las briquetas de estiércol de alpaca, comprobando que el IFR es mayor al mínimo aceptable resultando satisfactorio este ensayo y demostrando una buena resistencia al impacto.
Conclusiones
- El poder calorífico estimado de estas briquetas de estiércol de alpaca e ichu es de 18.1 MJ/kg. Se considera que el 44% de la energía contenida en la briqueta se transfiere al agua, el otro 56 % se pierde al ambiente.
- La temperatura máxima alcanzada en la combustión de las briquetas es 500 °C.
- La combustión de las briquetas es uniforme y su llama es azulada lo que indica una combustión completa según las observaciones realizadas esto debido al orificio del diseño de las briquetas que permite la mejor circulación del oxígeno.
- El estiércol de los animales cuando no se puede utilizar como abono natural, como biomasa se puede reutilizar, en las zonas alto andinas de nuestro país como material de combustión para la cocción de alimentos.
- El costo calculado para 1,8 kg de material para la elaboración de las briquetas es 10.80 soles, en comparación con briquetas comerciales de hojarasca de 2kg está en 15,50 soles y de carbón vegetal en 13 soles.
- Las briquetas son aptas para el transporte debido a que su índice de friabilidad es de 176.7, lo que indica una buena resistencia al impacto.