Universidad Nacional del Centro del Perú
Facultad de Ciencias Forestales y del Ambiente
Poder calorífico del carbón de madera de tres especies forestales - Distrito Mariscal Cáceres - Huancavelica
Curo Antezana, Isabel
Huancayo 2019
Esta obra está bajo licencia https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Repositorio Institucional - UNCP
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE CIENCIAS FORESTALES Y DEL AMBIENTE
“PODER CALORÍFICO DEL CARBÓN DE MADERA DE TRES ESPECIES FORESTALES - DISTRITO MARISCAL CÁCERES -
HUANCAVELICA”
TESIS
PRESENTADA POR LA BACHILLER:
ISABEL CURO ANTEZANA
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERA FORESTAL Y AMBIENTAL
HUANCAYO – PERÚ 2019
ii ASESOR
Dr. RUDECINDO CERRÓN TAPIA CIP: 26465
iii DEDICATORIA
La presente investigación dedico a mi esposo Jorge Peña Castro y a mis adoradas hijas Dulce María y Joyce
iv AGRADECIMIENTOS
Al Dr. Cerrón Tapia Rudecindo docente prestigioso de la Facultad de Ciencias Forestales de la UNCP, por otorgarme conocimiento durante 5 años, así como durante el desarrollo de mi tesis.
A los docentes de mi Facultad quienes se han tomado el arduo trabajo de transmitirme sus conocimientos, en los diversos temas que requiere la carrera, además por encaminarme por el camino correcto para lograr mis metas y lo que me proponga.
A mi familia por el apoyo y la confianza depositada en mi formación profesional.
v INDICE
Pág.
DEDICATORIA ... iii
AGRADECIMIENTOS ... iv
INDICE ... v
RESUMEN ... ix
ABSTRACT ... x
INTRODUCCION ... xi
I. REVISION DE LITERATURA ... 1
1.1. Antecedentes de la investigación ... 1
1.2. Marco Teórico... 3
1.2.1. Energía ... 3
1.2.2. Energías renovables ... 4
1.2.3. Generación de biomasa ... 4
1.2.4. Importancia de la biomasa en la energía ... 4
1.2.5. Energía de la biomasa forestal ... 5
1.2.6. Fuentes de biomasa para fines energéticos ... 5
1.2.7. Procesos de conversión de la biomasa en energía ... 6
1.2.8. Tipos de Biocombustibles ... 8
1.2.9. Carbón Vegetal... 9
1.2.10. Poder calorífico ... 13
1.2.11. Especies de estudio ... 14
vi
a. Kageneckia lanceolata ... 14
b. Acacia macracantha ... 15
c. Escallonia péndula ... 16
II. MATERIAL Y METODO ... 18
2.1. Procedencia de los materiales ... 18
2.1.1. Generalidades y procedencia del material de estudio ... 18
a. Clima y ecología ... 18
b. Fisiografía y suelos ... 19
2.2. Lugar de ejecución ... 19
2.3. Materiales y equipos ... 19
2.4. Metodología ... 20
2.5. Normas ... 20
2.6. Diseño de investigación ... 21
2.7. Diseño estadístico ... 21
III. RESULTADOS... 22
3.1. Poder calorífico superior del carbón ... 22
3.2. Poder calorífico inferior del carbón ... 23
IV. DISCUSIÓN ... 26
V. CONCLUSIONES ... 28
VI. RECOMENDACIONES ... 29
BIBLIOGRAFÍA ... 30
vii INDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Efecto de la humedad (referida al producto en húmedo) sobre el valor térmico ... 14
Figura 2. Diseño de factores anidados………21
Figura 3. Promedio del poder calorífico superior del carbón de las tres especies estudiadas. ... 23
Figura 4. Promedio del poder calorífico inferior del carbón de las tres especies estudiadas. ... 24
Figura 5. Recolectando muestra de la especie Acacia Macracantha H&B. ... 36
Figura 6. Recolectando muestra de la especie Kageneckia lanceolata R&P. ... 36
Figura 7. Recolecctando muestra de la especie Escallonia pendula R&P. ... 37
Figura 8. Proceso de carbonización de las especies a estudiar. ... 37
Figura 9. Muestra 1de carbón de Kageneckia lanceolata R&p. para la determinación de poder calorífico. ... 38
Figura 10. Muestra 1 de carbón de Acacia Macracantha H&B. para la determinación de ... 38
Figura 11. Muestra 1 de carbón de Escallonia pendula R&P. para la determinación de ... 39
Figura 12. Muestra de carbón de las tres especies para la determinación de poder calorífico. ... 39
viii INDICE DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Poder calorífico superior del carbón de las tres especies estudiadas ... 22
Tabla 2. Poder calorífico inferior del carbón de las tres especies estudiadas ... 24
Tabla 3. Análisis de Varianza del PCS ... 25
Tabla 4. Análisis de Varianza del PCI ... 25
ix RESUMEN
La presente tesis se desarrolló en el Laboratorio de Tecnología de la Madera e Industrias Forestales y en el área de Calorimetría del Instituto de Investigación Nutricional de Lima, con el objetivo de Determinar el poder calorífico del carbón de la madera de Kageneckia lanceolata R
&P., Acacia macracantha H&B y Escallonia péndula R & P, las muestras se obtuvieron del Distrito de Mariscal Cáceres de la Provincia y Departamento de Huancavelica; para esta investigación se usaron las normas; NTP – 251– 010 , “Método de determinación del contenido de humedad ”, NTP – 251–011, “Método de determinación de densidad” y la ASTM-D- 2015-66 (1972). “Determinación del poder calorífico”. Determinando los siguientes resultados:
Los valores del poder calorífico superior experimental del carbón de las especies son: 6866.52 Kcal/Kg para Acacia Macracantha H&B, 6841.62 Kcal/Kg para la especie de Kageneckia lanceolata R&P y 6983.00 para Escallonia Pendula R&P, y los valores del poder calorífico inferior es: 6327.52 Kcal/Kg para Acacia Macracantha H&B, Kcal/Kg para la especie de Kageneckia lanceolata R&P y 6444.00 para Escallonia Pendula R&P.
Palabras claves: Carbón, Poder calorífico, Madera, Acacia Macracantha H&B, Escallonia Pendula R&P, Kageneckia lanceolata R&P.
x ABSTRACT
The research was developed in the Laboratory of Wood Technology and Forestry Industries, and in the Calorimetry area of the Institute of Nutritional Research of Lima, with the objective of determining the calorific power of the wood carbon of Kageneckia lanceolata R & P. , Acacia macracantha H &B and Escallonia pendula R & P, the samples were obtained from the District of Mariscal Cáceres of the Province and Department of Huancavelica; for this research the standards were used; NTP-251-010, "Method of determination of moisture content", NTP-251- 011, "Density determination method" and ASTM-D-2015-66 (1972). "Determination of calorific value". Determining the following results: The values of the highest experimental calorific value of the coal of the species are: 6866.52 Kcal/Kg for Acacia Macracantha H & B, 6841.62 Kcal/Kg for the species of Kageneckia lanceolata R & P and 6983.00 for Escallonia Pendula R & P, and the values of the lower calorific value is: 6327.52 Kcal/Kg for Acacia Macracantha H & B, Kcal/Kg for the species of Kageneckia lanceolata R&P and 6444.00 for Escallonia Pendula R & P.
Keywords: Coal, Calorific value, Wood, Acacia Macracantha H & B, Escallonia Pendula R &
P, Kageneckia lanceolata R & P.
xi INTRODUCCION
Las fuentes de energías están enmarcadas en tradicionales o convencionales y renovables; la primera está constituida por las fuentes energéticas fósiles que viene a ser el petróleo y sus derivados, el cual año tras año viene agotándose, consecuentemente genera grandes problemas políticos y económicos a nivel mundial; mientras que la segunda fuente son los recursos energéticos renovables, que ofrecen hacer uso en forma sostenida o a perpetuidad siempre que se maneja con ciencia y técnica, estas fuentes están constituidas principalmente entre otros por la biomasa vegetal; que viene a ser unos de los recursos naturales que más abunda en la tierra y es la que ofrece mayores y mejores posibilidades entre las fuentes energéticas renovables.
Sin embargo, estas fuentes energéticas son las más esquilmadas, de esta realidad no escapa el Perú, ya que la escasez de leña en las comunidades campesinas de la sierra peruana constituye un grave problema por la devastación de las pocas áreas existentes de la biomasa vegetal, inclusive ocasionando problemas ecológicos, escasez del agua, climáticos y sociales; sin duda casi nada o poco se conoce las cualidades energéticas de la gran mayoría de especies forestales, arbustivas y otros, así como las especies de la presente investigación, cuyas características energéticas en función a su densidad presentan alto poder calorífico, en consecuencia estas especies ofrecen mejores alternativas para ser usadas con fines energéticos, por lo que es necesario conocer estas cualidades a fin de motivar su propagación masiva, a través de la reforestación.
xii En consecuencia, se plantea el siguiente objetivo: Determinar el poder calorífico del carbón de la madera de las especies: Kageneckia lanceolata R & P., Acacia macracantha H & B y Escallonia péndula R & P.
1 I. REVISION DE LITERATURA
1.1. Antecedentes de la investigación
En la tesis “Rendimiento y Calidad del Carbón Vegetal elaborado en Horno Tipo Fosa con Subproductos Forestales de Piscidia Piscipula (L.) Sarg. y Lonchocarpus Castilloi Standl. en Campeche” según Canul (2013) presentó diferencias estadísticas altamente significativas: El poder calorífico del carbón vegetal de P. piscipula y L. castilloi presentó diferencias altamente significativas (…) por lo que se considera que la especie de L.
castilloi es de mejor calidad que P. piscipula para la elaboración de carbón vegetal. (p.1).
En el estudio “Procesamiento y Aceptación del Carbón Obtenido en Horno Media Naranja de las Especies Forestales Pinus Maximinoii M., Liquidámbar Styraciflua L. y Quercus Brachistachys B. En Condiciones de La Finca Chilax, San Juan Chamelco, Alta Verapaz” desarrollado en Guatemala. Se eligió hacer estudios sobre la producción carbonera en condiciones de la finca Chilax, que según Villagran (2009) concluye: “El carbón de las tres especies forestales estudiadas, fueron muy bien aceptados durante el sondeo realizado, concluyendo así, el carbón de pino se puede calificar de una excelente
2 calidad, principalmente para uso doméstico y de mediana calidad para uso industrial”
(p.viii).
Villantoy (1999) en su tesis titulada “Situación energética de las comunidades campesinas del distrito de Vinchos, Ayacucho” para el aprovechamiento de la vegetación con fines energéticos, indica que: el 34% de las familias recolectan la leña, el 24 % emplean pico, el 13 % con hacha, el 11% combinan el uso de pico y machete y el combustible de mayor demanda es la leña en un 70 % (p.23).
Un estudio de la especie Haplorhus peruviana Engl. realizado por Hinostroza y Cerrón (2011) posee 0.90 a 1.00 gr/cm³de densidad , según el estudio la especie reporto alto poder calorífico, siendo de 4342 a 4957.90 Kcal/Kg. el cual se debe principalmente a su alta densidad, esta especie de alto poder calorífico, ofrece grandes posibilidades técnicas en función a sus características energéticas tales como leña, carbón, etc.
En la tesis desarrollada por Donayre (2016) “Rendimiento energético de la madera tostada y carbón de tres especies forestales del arboretum (el huayo) puerto almendra, Iquitos-Perú” concluye: El mayor poder calorífico a los 350°C se obtuvo en el carbón de M. limbatum con 8423,84 kcal/kg, seguido de N. yapurensis con 8331,91 kcal/kg e I.
tricornis con 8300,29 kca/lkg. (p.32).
En la tesis “Poder calorífico de la madera de Polylepis racemosa R & P. y Schinus molle L. de dos procedencias” según Cruz y Simón (2019) concluyen: Los valores del poder calorífico superior estimado, poder calorífico superior experimental y poder calorífico
3 inferior experimental fueron: Polylepis racemosa R & P.: Mito 4553,37 Kcal/Kg (PCS estimado), 3569,30 Kcal/Kg (PCS experimental), 3030,30Kcal/Kg (PCI experimental);
Ahuaycha 4743,17Kcal/Kg (PCS estimado), 3857,45 Kcal/Kg (PCS experimental), 3318,45 Kcal/Kg (PCI experimental) (p.74).
Así mismo según Ramos,Z.F y Ames, C.R (2004) refieren: las características de las especies nativas quinual, chachas y quishuar especialmente las propiedades físicas y contenidos químicos de la madera influyen en la variación del poder calorífico de estas especies .
Según Chavarría, R.K. y Reyes, A.R. (2009) mencionan que las especies que mayormente utilizan leña en Yauli la Oroya son: Buddleja coriácea (Colle) PCS.
4866.37 Kcal/Kg, Cassia tomentosa L.f. (Mutuy) PCS. 4828.36 Kcal/Kg, Baccharis tricuneata L.f. Pers (Taya) PCS 4830.71 Kcal/Kg, Chuqiraga spinoza R & P Don (Huamanpinta) PCS. 4852.47 Kcal/Kg, respectivamente.
1.2. Marco Teórico
1.2.1. Energía
La energía según Conicet Mendoza (2011) define: la capacidad de realizar trabajo, producir movimiento, de generar cambio, es inherente a todos los sistemas físicos, y la vida en todas sus formas, se basa en la conversión, uso, almacenamiento y transferencia de energía (p.1).
4 1.2.2. Energías renovables
Según la Enciclopedia EcuRed (2010) da a conocer que: la energía renovable es la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, unas por la inmensa cantidad de energía que contienen, y otras porque son capaces de regenerarse por medios naturales (p.1).
Asimismo, Arroyo (2008) refiere que: se debe tener en cuenta los avances que se realizan para la utilización de biomasa procedente en su mayor parte de la utilización de masas forestales” (p.17)
1.2.3. Generación de biomasa
Huamán (2013) define: La biomasa forestal es una fuente de energía renovable, usualmente la biomasa forestal es más barata que otras fuentes de energía, tales como el gas o la energía eléctrica, las cuales son inaccesibles para personas de escasos recursos (p.13).
A pesar de ello, según FAO (2008) refiere: la biomasa es el carácter renovable y no contaminante que tiene y el papel que puede jugar en el momento de generar empleo y activar la economía de algunas zonas rurales, hacen que la biomasa sea considerada una clara opción de futuro (p.2).
1.2.4. Importancia de la biomasa en la energía
Según Vignote (2016) refiere: La leña supone un tercio del consumo energético en (…) Latinoamérica, siendo la principal fuente de energía (…) se obtiene sin mediar transacción comercial, utilizándose fundamentalmente para cocinar y
5 (…) es altamente contaminante, (…) a causa de la combustión incompleta de la biomasa (p.2).
Según Energía Biomasa (2008) define: La energía que se puede obtener de la biomasa proviene de la luz solar, la cual gracias al proceso de fotosíntesis, es aprovechada por las plantas verdes mediante reacciones químicas en las células, las que toman CO2 del aire y lo transforman en sustancias orgánicas (p.5).
1.2.5. Energía de la biomasa forestal
Según Euskadi (2015) se define: la biomasa forestal es la materia orgánica que existe en un determinado ecosistema forestal (bosque), tanto por encima como por debajo del suelo y se suele clasificar en Natural y Residual Seca, pero huyendo de definiciones académicas, en nuestro caso, entenderemos como biomasa forestal a los Pellet, la leña de toda la vida, la astilla triturada y la astilla de corte, proveniente de cualquier parte del árbol (p.1).
1.2.6. Fuentes de biomasa para fines energéticos
a. Biomasa natural
Según Jarabo (2003) define: la biomasa como el conjunto de materiales orgánicos generados a partir de la fotosíntesis o bien producidos en la cadena biológica, pudiéndose distinguir así dos grandes tipos: Biomasa vegetal y Biomasa animal (p.1).
b. Biomasa residual
Jarabo (2003) describe: “La utilización por el hombre y por los animales de sólo una parte de la biomasa a su disposición genera una biomasa residual, mientras
6 que lo que hoy día se conoce como combustibles fósiles (carbón, gas natural y petróleo) no es otra cosa que biomasa fósil” (p.1).
c. Excedentes de cosechas agrícolas
Los cultivos tradicionales son los que el hombre ha venido utilizando para la producción de alimentos como la obtención de productos de interés industrial.
Según Jarabo (2003) describe: “Las especies de este grupo tienen exigencias (…) lo que su cultivo podría suponer un elevado grado de competencia con los cultivos alimentarios, a no ser que se utilicen con fines energéticos los excedentes de cosechas. Cabe destacar: Cereales, Caña de azúcar, (…), Plantaciones forestales” (p.2).
d. Cultivos energéticos (Agro energética)
Los cultivos energéticos según Jarabo (2003) consisten en: utilizar como fuente de biomasa los llamados cultivos energéticos, es decir, plantaciones destinadas exclusivamente a producir energía, solución que, por diversos motivos, sólo podrá alcanzar una importancia significativa a medio o largo plazo (p.1).
1.2.7. Procesos de conversión de la biomasa en energía
La biomasa desde el punto de vista del aprovechamiento energético, se caracteriza por tener un bajo contenido de carbono, un elevado contenido de oxígeno y compuestos volátiles.
a. Procesos termoquímicos
Se trata de someter la biomasa a elevadas temperaturas y son los siguientes procesos:
7 a.1. Combustión
Según Cabrera (2014) describe: se obtiene calor para producir vapor que mueve una turbina que arrastra un alternador que produce electricidad al quemar la biomasa, también se aprovecha para calefacción. La biomasa debe ser baja en humedad (p.2).
a.2. Gasificación
Según Cabrera (2014) sintetiza que: la obtención de hidrocarburos parcial o hidrogenación, permite oxigenación (p.2).
a.3. Pirolisis
Según Cabrera (2014) Se define que: La materia orgánica se descompone, obteniendo productos finales más energéticos, consiste en un calentamiento sin la presencia de oxígeno. (p.2).
b. Procesos bioquímicos
Los procesos bioquímicos se basan en la degradación de la biomasa por la acción de microorganismos, y se dividen en dos grupos:
b.1.Procesos anaeróbicos
Se define según Cabrera (2014) como: Este proceso consiste en fermentar en ausencia de oxígeno y durante largo tiempo la biomasa. Origina productos gaseosos (biogás), que son principalmente metano y dióxido de carbono. Este biogás se suele emplear en granjas para activar motores de combustión o calefacción (p.2).
8 b.2. Procesos aeróbicos
Se define según Cabrera (2014) como: el proceso de transformación de la glucosa en etanol por la acción de los microorganismos. El resultado es el bioalcohol, un combustible para vehículos. En Brasil, uno de cada tres vehículos funciona con etanol extraído de la caña de azúcar (p.2).
1.2.8. Tipos de Biocombustibles
a. Biocombustibles sólidos
Estos biocombustibles permiten producir energía eléctrica y calorífica que según Ríos, Santos y Gutiérrez (2017) refieren: “Los biocombustibles sólidos son carburantes compuestos por materia orgánica, de origen vegetal o animal, (…) éstos son obtenidos mediante procesos físicos, tales como compactación, astillado o trituración. (…) se emplean biocombustibles sólidos generados a partir de la biomasa residual de actividades forestales o agroindustriales” (p.3).
b. Biocombustibles líquidos
Los biocombustibles líquidos de primera generación son los más socorridos según Salinas y Gasca (2009) definen Los biocombustibles líquidos más usados actualmente son: Los bioalcoholes. Son alcoholes de origen orgánico. Están formados por dos tipos fundamentales: el etanol y el metanol (p.78).
c. Biocombustibles gaseosos
Según Lucas, Peso, Rodríguez y Prieto (2012) se pueden generar a partir de la biomasa están el gas de síntesis, que se obtiene a partir del proceso de
9 gasificación, el biogás, que se obtiene mediante una digestión anaerobia con la ayuda de microorganismos, y el hidrógeno, que puede obtenerse a partir de numerosas tecnologías (p.58).
1.2.9. Carbón Vegetal
a. Propiedades del Carbón Vegetal a.1. Densidad
Earl (1975) refiere al carbón vegetal obtenido a baja temperatura suele ser más denso que el que se obtienen a alta temperatura, porque las sustancias volátiles disminuyen progresivamente a medida que aumenta la temperatura máxima de carbonización como menciona pipa 2004(p.20).
a.2. Superficie específica
Según Earl (1975) define: la temperatura de carbonización elevada aumenta la porosidad del carbón vegetal, porque se elimina algunas de las sustancias volátiles derivadas de los alquitranes que se depositan en los intersticios. Con tratamientos especiales se puede aumentar la superficie específica del carbón de 100 a 1000 veces, aproximadamente.
a.3. Grado de humedad
Gonzáles (2001) menciona que: “la madera húmeda genera un mayor consumo de energía del sistema por tanto el tiempo de carbonización es mayor, si se coloca madera por encima del punto de saturación de fibras se genera tensiones”.
10 a.4. Estabilidad
El carbón vegetal es una materia relativamente inerte, refiere Earl (1975) que absorbe oxígeno rápidamente unas pocas horas después de haber cesado el proceso de carbonización. Por eso es mejor mantener la carga dentro del horno evitando entradas de oxígeno por 24 horas, de esta manera se evita la combustión, como menciona pipa 2004 (p.20).
a.5. Friabilidad
Según Monge (1957) menciona que los carbones más friables producen mayor cantidad de material fino por tanto obtiene un menor precio de venta en el mercado. Los finos presentan una excesiva área superficial lo que origina una mayor oxidación del carbón y una reducción proporcional de su poder calorífico.
a.6. Contenido fijo de carbono
El contenido de carbono depende principalmente de las condiciones de carbonización como explica Earl (1975) explica en pipa (2004) en menor grado, de la cantidad de carbono que contiene la carga original de madera.
Con una carbonización lenta y a altas temperatura se eliminarán casi todas las sustancias volátiles, y entonces el contenido fijo de carbono disminuirá (p.21).
a.7. Poder calorífico
El poder calorífico de un combustible es la cantidad de calor producida por la combustión completa de una cantidad unitaria de combustible bajo
11 condiciones de combustión especificadas Según Reinhardt (1968) como explica: ( Pipa, 2004) (p.21).
a.8. Rendimiento
Según Earl (1975) refiere que el rendimiento está influenciado por la humedad de la madera, a menor contenido de humedad el rendimiento será mayor.
b. Componentes del Carbón Vegetal b.1. Sustancias volátiles
Earl (1975) indica que las sustancias volátiles están compuestas principalmente por hidrocarburos y algo de nitrógeno. Algunas industrias como la del cemento prefieren altos porcentajes de material volátil (25%), de igual manera para el uso doméstico ya que el encendido es más fácil.
b.2. Cenizas
Earl (1975) las cenizas constan de una fracción soluble y otra insoluble: la parte insoluble inorgánica, constituida principalmente de sílice, no afecta normalmente al proceso industrial más que por la pérdida de valor calorífico que representa. Los constituyentes solubles inorgánicos si pueden causar problemas para ciertos procedimientos industriales como menciona Pipa, 2004 (p.19).
c. Tecnologías de carbonización
12 Según el Centro Europeo de Postgrado (2019) refiere: “El proceso de obtención de carbón vegetal es variado al utilizar técnicas completamente manuales y artesanales, hasta técnicas completamente industriales. La clasificación de tecnologías que se pueden realizar es variada, atendiendo a diferentes criterios: A la barrera de separación madera – medio externo, al combustible y a la inversión inicial” (p.1).
d. Carboneras u Hornos
Existe una diversidad de carboneras u hornos para la carbonización, habiendo resultado de mayor eficiencia, productividad y económico en su construcción, el Horno tipo Colmena (brasileño) que según el Centro Europeo de Postgrado (2019) describe a la forma de cilindro acabado en casquete esférico, fabricado todo él con ladrillos. El tiempo de ciclo es inferior a los vistos hasta ahora, estando aproximadamente en torno a 8-12 días (p.1).
En el Valle del Mantaro la producción del carbón vegetal es realizada en carboneras de fosa artesanal, conservando así una tradición de padres a hijos como un trabajo adicional a la agricultura.
d.1. Carbonera artesanal (fosa de tierra)
Este método consiste según el Centro Europeo de Postgrado (2019) ecomo excavar en el suelo una fosa donde se deposita la madera que se desea carbonizar, tapándose posteriormente con tierra. El carbón obtenido es irregular y de composición diferente en función de si procede del lugar donde se ha iniciado la carbonización (p.1).
13 1.2.10. Poder calorífico
Según el Centro Europeo de Postgrado (2019) describe como la composición química de la materia prima empleada y del proceso de carbonización empleado (p.1).
a. Determinación del poder calorífico estimado:
Para obtener el poder calorífico estimado se utiliza la fórmula:
Y = 5266 – 16,36 CT + 0,23 L. CT – 5,73. CW Ea+ 1,76 EAB. L
Dónde:
Y = P.C.S. estimado, cal/gr
CT = Contenido de carbohidratos totales (celulosa, hemicelulosa) % CW = Contenido de cenizas, %
Ea = Contenido de extractivos en agua caliente
% EAB = Contenido de extractivos en alcohol benceno % L = Contenido de lignina %
Según Cruz y Simon (2019) refieren: “de igual modo se halló los componentes principales: celulosa y lignina, con cuyos valores del análisis químico se determinó el poder calorífico superior estimado” (p.34).
14 Figura 1. Efecto de la humedad (referida al producto en húmedo) sobre el valor térmico
1.2.11. Especies de estudio
a. Kageneckia lanceolata
Nombre científico : kageneckia lanceolata R & P Nombre común : lloque, quisi
Familia : rosaceae
a.1. Distribución Geográfica
Según Romero y Ramos (2009) mencionan que se encuentra en: (los departamentos Cajamarca, la libertad, Junín, Ayacucho, Arequipa y Moquegua; entre los 2300 y 3600 msnm; mayormente observada entre los 2800 y 3388 msnm valle del Urubamba en Cusco y cuenca del río Chala en Ayacucho) (p.43).
a.2. Macroscópica
Contenido de Humedad
Valor térmico
15 Los poros son de distribución difusa, solitarios de diámetros pequeños, con parénquima difusa y escasa, los radios son pocos de anchura fina, igualmente los anillos de crecimiento son difíciles de observar a simple vista, en estado húmedo con agua o limón sí se puede observar, porque son maderas que se desarrollan en zonas de vida con climas de dos estaciones (época de lluvia y época seca).
a.3. Microscópica
Según Vadillo (1989) refiere: “Entre los poros/vasos son de forma ovalada, longitud cortos, espesor fino. Parénquimas: forma fusiforme, disposición no estratificada, elementos de parénquima tabicados, presencia de puntuaciones simples alternos. Radios: radios son homogéneos y heterogéneos del tipo III de kribss, disposición no estratificada, espesor fino” (p.93).
b. Acacia macracantha
Nombre Científico : Acacia macracantha H & B.
Nombre Común : Huarango, Faique
Familia : Fabaceae
b.1. Distribución geográfica
Su distribución ecológica de esta especie, según Romero (2018) refiere: En Perú se distribuye por valles interandinos secos como Cajamarca, Cusco, Arequipa y La Libertad, por la costa de Lambayeque, Lima y en el Ecuador
16 es muy común (…) Algunos estudios realizados como América Central mostraron la importancia de la biomasa de las leguminosas arbóreas (p.10).
b.2. Macroscópica
Madera con duramen de color marrón oscuro y albura amarillo dorado, Transición abrupta entre albura y duramen. Olor y sabor ausente. Textura media, grano recto. Madera dura y pesada. Ancho de albura de 2,5 cm.
60,45 % de albura y 39,55% de duramen. Poros visibles a simple vista.
b.3. Microscópica
Según Carvalho, Xavier y Freitas (1996) refieren: “es una especie arbórea de seis metros de alto, de ramas y tallos de glabros a estrigulosos. Hojas de hasta 15 centímetros (cm) de largo; estípulas hasta 9 cm de largo, transformadas en espinas aplanadas, blanquecinas, persistentes; pecíolo 2 – 2.5 cm de largo”
(p.48).
c. Escallonia péndula
Nombre científico : Escallonia péndula R & P Nombre común : Liplipe, pauca o pauco Familia : Escalloniaceae
c.1. Distribución y hábitat
En la zona andina entre 1000 a 3500 msnm en formaciones de bosque húmedo y subhúmedo, se distribuye ampliamente en este estrato
17 altitudinal, se localizan desde Venezuela hasta Perú, en Colombia en la sierra Nevada de Santa Marta y en la cordillera Oriental entre 1500 a 3100msnm.
c.2. Reconocimiento de la especie
Esta especie se reconoce por sus hojas lanceoladas y alargadas y algo pegajosas cuando están frescas, y sus largas espigas péndulas, de estas espigas se originan la palabra péndula.
c.3. Usos
Según Reynel y Marcelo (2009) describen: “La madera es semidura, textura media de buena calidad, empleada localmente en carpintería, de la misma manera se usa como leña, mangos de herramientas, utensilios, además es una especie ornamental apropiada para parques y jardines”
(p.160).
18 II. MATERIAL Y METODO
2.1. Procedencia de los materiales
2.1.1. Generalidades y procedencia del material de estudio
Los trabajos de campo, relacionado a la recolección del material de estudio, se llevaron a cabo en la cuenca del Mantaro en sus bosques naturales, situado en el ámbito del Distrito de Mariscal Cáceres de la Provincia y Departamento de Huancavelica, ubicado a 2847 msnm., coordenadas geográficas: longitud oeste 74° 55' 43" (O), y Latitud sur 12° 31' 57” (S).
a. Clima y ecología
El clima es templado y cálido en el Distrito Mariscal Cáceres. Los veranos aquí tienen una buena cantidad de lluvia, mientras que los inviernos tienen muy pocos.
Esta zona tiene un clima de tundra, lo que significa que incluso en los meses más cálidos, las temperaturas son muy bajas. Esta ubicación está clasificada como ET por Köppen y Geiger. La temperatura media anual en Mariscal Cáceres se encuentra a 8.9 °C. La precipitación es de 779 mm al año.
19 El área pertenece según Joseph Tosi y L. R. Holdrigea bosque seco montano bajo (bs-MB), exactamente referido a la zona de Mariscal Cáceres en el cañon del rio Mantaro, sabana con árboles esparcidos, conformado por vertientes y valles interandinos a media altura.
b. Fisiografía y suelos
El Distrito de Mariscal Cáceres donde se obtuvo las especies de estudio, presenta una topografía accidentada terrenos algo rocosos de la cordillera occidental y central, con pequeñas planicies onduladas con aptitud agrícola, las formaciones geológicas que constituyen la zona pertenecen a la faja del pliegue de la cordillera occidental central de los andes.
2.2. Lugar de ejecución
La preparación y acondicionamiento de las probetas, así como la tabulación de los datos se desarrolló en el laboratorio de Tecnología de la Madera e Industrias Forestales de la Facultad de Ciencias Forestales y del Ambiente de la UNCP. La determinación del poder calorífico de las especies se ejecutó en el Laboratorio de Bioquímica del Instituto de Investigación Nutricional, La Molina – Lima.
2.3. Materiales y equipos 2.3.1. Materiales
a. Especies forestales
a. Kageneckia lanceolata R & P b. Escallonia péndula R & P c. Acacia macracantha H & B b. Instrumentos y equipos:
20 - Moto sierra
- Cinta métrica, forcípula - Altímetro y brújula - Materiales de carpintería - Tamizador
- Estufa, mufla
- Balanza de precisión, termostato termómetro - Bolsas de polietileno
- Bomba calorimétrica o calorímetro adiabático PARR - Equipos de cómputo, cámara fotográfica y accesorios - Materiales de escritorio en general
2.4. Metodología
El proyecto se enmarca en el “tipo de investigación básica de nivel no experimental”, por tener como propósito general, determinar el poder calorífico de tres especies forestales con fines energéticos, procedentes de la cuenca del Mantaro, zona Mariscal Cáceres Huancavelica. Por consiguiente, debiendo determinarse las características de este fenómeno, basado en variables experimentales, diseño experimental para probar la hipótesis, mediante método estadístico y pruebas estadísticos de significancia.
2.5. Normas
Se consideran para los estudios las normas y métodos siguientes:
- NTP 251.008:1980, “Para la selección y colección del material”
- NTP 251.010:2014, “Métodos para determinar el contenido de humedad”
- NTP 251.011:2014, “Método de determinación de densidad”
- ASTM - D - 2015 - 66(1972). “Determinación del poder calorífico”
21 2.6. Diseño de investigación
- Método de investigación: método científico.
- Diseño de investigación: no experimental, transversal.
- Tipo de investigación: descriptivo.
2.7. Diseño estadístico
Diseño jerárquico o de factor anidado: Es decir, son similares para cada nivel del factor A, pero no son idénticos, se encuentran anidados en el nivel al que correspondan para el factor A.
Figura 2. Diseño de factores anidados.
22 III. RESULTADOS
3.1. Poder calorífico superior del carbón
El poder calorífico superior del carbón de las tres especies forestales estudiadas se determinó con el apoyo de la bomba calorimétrica.
Tabla 1
Poder calorífico superior del carbón de las tres especies estudiadas
Especie Árbol Troza PCS Kcal/Kg Sumatoria/
árbol
Promedio/
árbol
Sumatoria/
Especie
Promedio/
Especie
Acacia Macracantha H&B A 1 6883.4 13766.6 6883.3 41199.1 6866.52
2 6883.2
B 1 6866.2 13732.1 6866.05
2 6865.9
C 1 6850.5 13700.4 6850.2
2 6849.9
Kageneckia lanceolata R&P
A 1 7014.5 14030.5 7015.25 41049.7 6841.62
2 7016
B 1 6728.5 13458.5 6729.25
2 6730
C 1 6780.9 13560.7 6780.35
2 6779.8
Escallonia Pendula R&P A
1 7041.6 14086 7043 41898 6983.00
2 7044.4
B 1 6942.1 13882 6941
2 6939.9
C 1 6966.5 13930 6965
2 6963.5
23 En la tabla 01 se muestra el promedio del poder calorífico superior por árbol y especie. Siendo 6866.52 Kcal/Kg el promedio para Acacia Macracantha H&B, 6841.62 Kcal/Kg para la especie de Kageneckia lanceolata R&P y 6983.00 para Escallonia Pendula.
Figura 3. Promedio del poder calorífico superior del carbón de las tres especies estudiadas.
3.2. Poder calorífico inferior del carbón
El poder calorífico inferior del carbón de las tres especies forestales estudiadas se determinó con el apoyo de la bomba calorimétrica.
En la Tabla 2 se muestra el promedio del poder calorífico superior por árbol y especie.
Siendo 6327.52 Kcal/Kg el promedio para Acacia Macracantha H&B, 6302.62 Kcal/Kg para la especie de Kageneckia lanceolata R&P y 6444.00 para Escallonia Pendula R&P.
24 Tabla 2
Poder calorífico inferior del carbón de las tres especies estudiadas
Especie Árbol Troza PCI Kcal/Kg Sumatoria/
árbol
Promedio/
árbol
Sumatoria/
Especie
Promedio/
Especie
Acacia Macracantha H&B A 1 6344.4 12688.6 6344.3 37965.1 6327.52
2 6344.2
B 1 6327.2 12654.1 6327.05
2 6326.9
C 1 6311.5 12622.4 6311.2
2 6310.9
Kageneckia lanceolata R&P
A 1 6475.5 12952.5 6476.25 37815.7 6302.62
2 6477
B 1 6189.5 12380.5 6190.25
2 6191
C 1 6241.9 12482.7 6241.35
2 6240.8
Escallonia Pendula R&P
A 1 6502.6 13008 6504 38664 6444.00
2 6505.4
B 1 6403.1 12804 6402
2 6400.9
C 1 6427.5 12852 6426
2 6424.5
Figura 4. Promedio del poder calorífico inferior del carbón de las tres especies estudiadas.
25 A continuación, se presentan la Tabla 3 y 4 de ANOVA del diseño estadístico anidado, en el que se muestran los resultados, los mismos que nos hacen ver el valor de P el mismo que es determinante para el análisis. Obtenemos un valor de P igual a cero, para el factor especie, lo cual indica que existe diferencias significativas entre las tres especies forestales.
Del mismo modo se muestra el valor de P para el factor árbol, el mismo que es 0.06, que evidencia la no existencia de diferencias significativas para el factor árbol.
Tabla 3
Análisis de Varianza del PCS
FUENTE GL SC MC F P F (tab.)
ESPECIE 2 68355.2478 34177.6239 8.2044 0.007785 4.1028 ARBOL 5 63885.3444 12777.0689 3.0672 0.0619311 3.3258
ERROR 10 41657.6722 4165.7672
TOTAL 17 173898.264
Tabla 4
Análisis de Varianza del PCI
FUENTE GL SC MC F P F (tab.)
ESPECIE 2 68355.2478 34177.6239 8.2044 0.007785 4.1028 ARBOL 5 63885.3444 12777.0689 3.0672 0.0619311 3.3258
ERROR 10 41657.6722 4165.7672
TOTAL 17 173898.264
26 IV. DISCUSIÓN
4.1. Poder calorífico superior del carbón de las especies.
El poder calorífico es uno de los indicadores preponderantes de las características del material leñoso conjuntamente con el contenido de humedad y la densidad, sobre todo cuando se trata de características energéticos. Cuanto mayor sea el contenido de humedad de un combustible menor será la energía total disponible.
En la Tabla 1 se muestra el promedio del poder calorífico superior del carbón de cada especie. Siendo 6866.52 Kcal/Kg el promedio para Acacia Macracantha H&B, 6841.62 Kcal/Kg para la especie de Kageneckia lanceolata R&P y 6983.00 para Escallonia Pendula R&P.
Por otro lado, estadísticamente no existe diferencia significativa entre el poder calorífico de los árboles, lo cual se debe que los árboles son de una misma especie, presentando las mismas característica y cualidades energéticas.
4.2. Poder calorífico inferior del carbón de las especies.
27 El poder calorífico inferior (PCI) es deducido a partir del poder calorífico superior (PCS), se sustrae el Calor de vaporización (539 Kcal/Kg constante).
En la Tabla 2 se observan los valores promedio del poder calorífico inferior de cada especie estudiada siendo 6327.52 Kcal/Kg el promedio para Acacia Macracantha H&B, 6302.62 Kcal/Kg para la especie de Kageneckia lanceolata R&P y 6444.00 para Escallonia Pendula R&P. existen mínimas diferencias entre el poder calorífico de las especies, estas diferencias entre especies es proporcionalmente relacionado al poder calorífico superior experimental, es decir menor al valor del calor de vaporización de 539 Kcal/Kg.
28 V. CONCLUSIONES
1. Los valores del poder calorífico superior para Acacia Macracantha H&B es de:
6866.52 Kcal/Kg; para Kageneckia lanceolata R&P es de 6841.62 Kcal/Kg y para Escallonia Pendula R&P. es de 6983.00 Kcal/kg siendo esta ultima la especie con mayor poder calorífico en comparación de las tres.
2. Los valores del poder del calorífico inferior para Acacia Macracantha H&B es de 6327.52 Kcal/Kg; para Kageneckia lanceolata R&P es de 6302.62 Kcal/Kg y para Escallonia Pendula R&P. 6444.00Kcal/Kg siendo esta última la especie con mayor poder calorífico inferior.
29 VI. RECOMENDACIONES
1. Realizar nuevos estudios de especies arbóreas y arbustivas considerando su densidad, debido a que las especies de alta densidad manifiestan tener alto poder calorífico y pueden ser usados con fines energéticos, producción de leña, carbón, alcohol, alquitrán y gas.
2. Realizar estudios del carbón de especies en las que desarrollaron la determinación del poder calorífico de la madera, para hacer comparaciones y determinar si en todos los casos el poder calorífico del carbón es casi el doble que el de la madera.
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ANEXOS
Figura 5. Recolectando muestra de la especie Acacia Macracantha H&B.
Figura 6. Recolectando muestra de la especie Kageneckia lanceolata R&P.
.
Figura 7. Recolectando muestra de la especie Escallonia pendula R&P.
Figura 8. Proceso de carbonización de las especies a estudiar.
Figura 9. Muestra 1de carbón de Kageneckia lanceolata R&p. para la determinación de poder calorífico.
Figura 10. Muestra 1 de carbón de Acacia Macracantha H&B. para la determinación de poder calorífico.
Figura 11. Muestra 1 de carbón de Escallonia pendula R&P. para la determinación de poder calorífico
Figura 12. Muestra de carbón de las tres especies para la determinación de poder calorífico.
62
