Desarrollo de factores de emisión y del rendimiento energético en hornos ladrilleros
La creciente industria artesanal de ladrillo demanda la evaluación de diferentes tecnologías de los hornos que existen en el país y los que hay a nivel mundial; con el fin de analizar tecnologías que puedan satisfacer las necesidades de cada productor en nuestro país. La competencia entre estas tecnologías se basa principalmente en el rendimiento y la productividad que un horno h orno pueda brindar, pero también ta mbién en la generación generació n de contaminantes que se liberan a la atmósfera en un proceso de cocción. Horno Túnel Hoffman
El horno Hoffman horno Hoffman fue un ingenio que revolucionó la producción de ladrillos en serie, tomó el nombre de su inventor, Friedrich Hoffman, arquitecto alemán, fabricante de materiales de construcción en Berlín y ganador de un gran premio en la Exposición Universal de 1867 (Mi+d, 2012). Es un horno multi – cámara donde el aire caliente por el enfriado de los ladrillos en algunas cámaras precalienta el aire de la combustión para el fuego, y los gases resultantes de esta combustión precalientan a los ladrillos verdes. La ventaja principal de este horno es el bajo consumo de combustible (Swen (Swen,, 2011). Las paredes del horno son gruesas y aisladas, las cuales minimizan la pérdida de calor al exterior. En el interior está dividido por cámaras, cuya longitud y número de bocas es variable (aunque el número regular es de 16 cámaras), que permiten que la producción sea continua Está diseñado para que los ladrillos verdes sean cargados en la sección delantera del horno al mismo tiempo que los ladrillos quemados son descargados en la parte posterior del horno ( Jones, Jones, 1995).
Figura 1. Funcionamiento de un horno Hoffman horno Hoffman
Fuente: Moore, 2011 Este sistema permite que el fuego circule de forma permanente durante todo el proceso de cocción a lo largo de cada uno de los compartimentos. De este modo, la cocción se desplaza por la nave de d e forma secuencial: mientras en una sección se está cociendo cociend o el material, en la siguiente, se empieza a elevar la temperatura al tiempo que en la anterior, el material ya cocido, empieza a enfriarse permitiendo ser descargado y llenado de nuevo. Así, se evitan cambios bruscos de temperatura, consiguiendo una cocción paulatina y homogénea y un funcionamiento del horno más económico al aprovecharse al máximo el calor (Mi+d, 1995). Según Otero (2005) el rendimiento energético del horno oscila entre 1,8 y 2,35 MJ/kg de arcilla quemada. El horno Hoffman horno Hoffman de la ciudad de La Paz, consta de varios compartimientos de ladrillo que forman bloques de ladrillo y que están separados por un espacio vacío entre cada uno de
ellos. Funciona Funciona con un quemador “araña” de aire forzado, que presenta 12 quemadores individuales. Este va rotando por los diferentes puntos del horno, trasladándose de un punto a otro, una vez alcanzada la temperatura requerida en cada compartimiento. El mismo tiene un ventilador que inyecta el aire a través de cada quemador individual, permitiendo que exista una adecuada relación de aire – aire – combustible combustible para la combustión.
Consumo de energía en un horno de quemado Según De Paulo (2009), la energía resultante del proceso de combustión en un horno de quemado básicamente se la puede asociar con cuatro destinos:
Energía asociada con la carga: es la energía necesaria para que la carga de
ladrillos alcance la temperatura requerida. Involucra la energía empleada para la evaporación de la humedad residual de los ladrillos verdes y la energía asociada con las reacciones químicas y físicas que sufre la materia prima durante el proceso de cocción.
Energía asociada a la masa térmica del horno: es la energía que se necesita para
calentar la masa total del horno. En el caso de los hornos continuos solamente es necesario calentar esta masa al iniciar la producción. Por el contrario, en los hornos tradicionales que realizan la cocción por lotes, esta transferencia debe ser repetida para cada uno de los lotes de ladrillos a quemar.
Energía asociada al flujo de gas de chimenea: es la energía que se pierde en el
flujo de gases de combustión que salen por la chimenea.
Energía perdida: es la energía transmitida al ambiente por conducción a través de
la estructura del horno, esta energía está expresada como pérdida de calor en el sistema Factores de Emisión
Un factor de emisión es un valor representativo que tiene la finalidad de relacionar la cantidad de un contaminante liberado en la atmósfera con una actividad asociada a la liberación de este contaminante (EPA, 1997).
Varían no solamente de acuerdo con el tipo de combustible sino con la actividad realizada (generación de energía, procesos industriales, aplicaciones residenciales, etc.) y la tecnología utilizada para tal fin (calderas, hornos, estufas, etc.). En este sentido, La EPA, en el documento de factores de emisión para la AP AP – 42, sector 11.3: factores de emisión para – 42, la industria ladrillera y de arcilla estructural; ha desarrollado una serie de dichos factores de emisión clasificándolos por combustible, proceso y tecnología, de tal manera que a medida que se tiene más datos detallados, el factor de emisión resulta más exacto. Generalmente se expresan como el peso de contaminante emitido por unidad de peso, volumen, energía o actividad, dependiendo del nivel escogido. Un factor de emisión no apropiado puede cambiar totalmente la precisión de las emisiones. Por ejemplo, los factores de emisión de la AP – 42 – 42 para combustión, fueron determinados para las condiciones atmosféricas de los Estados Unidos, donde la mayor cantidad de oxígeno disponible en el aire ambiente implica un proceso de combustión más eficiente, dando como resultado factores de emisión menores a los apropiados para Bolivia Pareja, (Pareja, 2011). Dichos factores facilitan la estimación de las emisiones de una fuente en particular. Según la EPA (1997), la emisión de una fuente está dada por la siguiente ecuación:
E ij
100 EC A FE [ ] i ij 100
Donde: Eij = Emisión de la fuente i para un contaminante j Ai = tasa de actividad de una fuente i (unidad de actividad) FE = factor de emisión de una fuente i para un contaminante j (masa de contaminante/unidad de actividad). EC = efectividad global de la reducción de la emisión, % La tabla 1 expone los factores de emisión elaborados por la EPA para los contaminantes de interés de la presente investigación, de acuerdo al combustible utilizado en los hornos:
Tabla 1.
Factores de emisión de hornos según el combustible c ombustible utilizado
Combustible del horno
Gas Aserrín Carbón
Factor de Emisión según el contaminante en kg/Mg
PM 10 0,44 0,19 1,10
NOx SO2 0,45 0,75 0,18 0,75 0,35 0,61 Fuente: en base a EPA, 1997
CO 1,30 1,60 0,45
CO2 390 260 230
Los valores que muestra la tabla 1 son de los factores de emisión más elevados, que se obtuvieron de evaluaciones realizadas a diferentes hornos.
Equipos
Para poder realizar la prueba de chimenea y determinación del rendimiento energético, son necesarios ciertos equipos de medición, tanto de la temperatura en diferentes puntos del horno, así como de la velocidad, temperatura, emisiones en la chimenea del horno.
Tub Tubo de Pito Pitot y manómetro El tubo de Pitot es un instrumento diseñado por el ingeniero Henri de Pitot, que sirve para determinar la velocidad de un fluido que recorre un área determinada. Presenta dos orificios. Uno que mide la presión total, resultante de la presión ambiente y de la presión que ejerce el fluido en el área; y otro que mide la presión estática o ambiente (figura 2):
Figura 2. Principio de funcionamiento del tubo de Pitot “S”
Fuente: Modificado de KIMO Instruments KIMO Instruments,, 2011 El flujo provoca presión en uno de los compartimentos del tubo, ocasionando que se dé una diferencia de presión (ΔP). Una vez calculada esta diferencia, diferencia, es posible calcular la velocidad del aire en m/s, mediante med iante la fórmula simplificada de Bernoulli: de Bernoulli:
√ Donde: ΔP
= Diferencia de presión (presión dinámica)
k = Constante del tubo de Pitot para las dimensiones específicas de este R = Constante universal de gases T = Temperatura en el interior de la chimenea M = Peso Molecular del fluido de chimenea Pamb = Presión ambiente
Ec. 10
Para medir esta diferencia de presiones se puede utilizar un manómetro de dos líquidos o un manómetro de agua, que tienen mayor sensibilidad y estabilidad (a diferencia de los analizadores automáticos que no mantienen un mismo valor) con la finalidad de medir la diferencia de presión generada entre la chimenea y el ambiente.
Analizador automático de gases de combustión Testo 340 Para la determinación de los gases de combustión generados en los hornos y de la temperatura de salida de los gases, se usará un Analizador de gases de combustión compacto, Testo 340 (figura 3): Figura 3. Analizador de gases de combustión compacto, Testo 340
Fuente: TEC, S/F; elaboración propia. Este medidor viene equipado con una celda que permite realizar la cuantificación del exceso de oxígeno. Además se añadieron dos celdas más, para realizar la medición de emisiones de los gases CO, CO bajo, NO, NO bajo y tiene la capacidad de, en base a estos gases medidos, calcular la concentración de CO2, NO2, el exceso de aire y la eficiencia de la combustión resultante del proceso. Una vez que las celdas cumplen con su tiempo de vida, estas pueden ser remplazadas por el usuario.
Tren de muestreo iso isociné inético ico para medició ición n de PMF Para garantizar el muestreo isocinético, la metodología para la medición de las PMF demandó la fabricación un sistema de captación de partículas (figura 4). Este sistema está compuesto por seis piezas: la sonda de muestreo de PM (1), la sonda sond a de presión (2), el porta
filtros con el filtro de captación de PM (3), el manómetro (4) que puede ser el manómetro de dos líquidos o un manómetro automático; el medidor de flujo (5), el regulador de flujo (6) y la bomba de flujo (7) que absorbe un flujo de aire de la chimenea. Figura 4. Esquema del Tren de muestreo isocinético de medición de PMF
Fuente: Elaboración propia, 2012 La figura ilustra el sistema de medición de PMF, e l cual tiene el siguiente funcionamiento: 1. La muestra ingresa a través de la sonda de muestreo la cual está conectada al portafiltro por un lado y al manómetro por otro. La finalidad de la conexión con el manómetro es la de medir la presión dentro de la boquilla de la sonda de muestreo. 2. Tanto la sonda de muestreo como el tubo de Pitot están en el interior del horno. Este último permite medir la presión al interior de la chimenea. Para esto debe ser conectado al extremo libre del manómetro de dos líquidos (el otro extremo está conectado a la sonda de muestreo) 3. El portafiltro está conectado al medidor de flujo y este a la bomba de flujo. La muestra es retenida en el filtro de PM. El medidor de flujo permite conocer el flujo de captación, que se determina a partir del volumen medido en el medidor de flujo y el tiempo de captación. Este tiempo no deberá ser mayor a 10 minutos por cada hora de quema, con el fin de no dañar ni el equipo de PMF ni el filtro de PM. 4. Para garantizar el muestreo isocinético las presiones dentro de la boquilla de la sonda de muestreo y dentro de la chimenea deben ser iguales, esto indica que las
velocidades en ambas secciones son similares. Al introducir la sonda, el manómetro marcará una diferencia de presión; al encender la bomba, el manómetro marcará una presión diferente. Para que el muestreo sea isocinético, la presión medida en el manómetro debe estar nivelada, es decir, el flujo de la bomba debe ser igual al flujo de gases en la chimenea.
Term Termocupla tipo ipo K Se utilizó la termocupla tipo k (figura 5) para determinar la temperatura en distintos lugares de los hornos y a diferentes tiempos, con el fin de controlar la distribución de calor dentro del horno. Figura 5. Termocupla utilizada
Fuente: Elaboración Propia, 2012 Esta termocupla está conectada a un lector en el cual se expone la temperatura medida. Soporta temperaturas de hasta 1200 °C. Protocolo de monitoreo de la temperatura para el horno Hoffman
El protocolo de monitoreo de temperaturas en el horno Hoffman horno Hoffman será el siguiente: 1. Antes del comienzo de la quema, se tomarán las medidas del largo, ancho y alto de la cámara de cocción, así como las medidas de las chimeneas del horno. Se verificará la máxima potencia de cada quemador individual y de todo el quemador “araña”; también se medirá la velocidad de succión de las chimeneas y la velocidad velocidad
de inyección de aire a través del ventilador. Además se deberá registrar la lectura inicial del puente de GN 2. Se dividirá al horno en cuatro secciones iguales, dependiendo del largo de este. Con el fin de no realizar más perforaciones en el horno, se utilizaran los orificios de control del ladrillo, situados en medio de los orificios destinados para los quemadores, como punto de introducción de la termocupla. Sin embargo, para realizar el monitoreo de la temperatura en las paredes laterales del horno, será necesario realizar las correspondientes perforaciones en cada una de las secciones del horno. 3. Se registrarán las temperaturas de carga, techo interior, techo superior, pared lateral interior, pared lateral exterior y chimenea; a cada 2 horas desde el inicio de la quema, en todos los puntos del horno. Para esto se utilizarán diferentes termocuplas, las cuales serán introducidas dentro del horno, de manera que sea posible registrar estos datos. También debe registrarse el flujo de GN en el puente de gas. 4. Se pesará la masa de madera y aserrín que se añada al horno, además del momento en que estos sean añadidos. 5. Por último debe registrarse la hora de cambio de posición del quemador quemador “araña”, “araña”, el porcentaje de apertura del ventilador del mismo y cualquier otra observación concerniente.
Prueba de chimenea
El procedimiento para la prueba de chimenea es el siguiente: 1. Instalación de plataforma de medición en inmediaciones de ambas chimeneas, lo suficientemente estables para sostener tanto al equipo como a la persona encargada de la medición. Posteriormente se realizará la perforación de la chimenea. Según EELA (2011), la toma de muestras debe realizarse en un tramo recto de la chimenea. Este tramo debe tener una longitud igual a 10 veces al diámetro de la chimenea o, en su defecto, una longitud que como mínimo contenga 2½ veces dicho diámetro. Con este fin, se medirá el diámetro y el área de la chimenea estudiada.
2. El principio de localización de los puntos de medición para la prueba de chimenea establece la división de la sección transversal de esta en partes iguales, ubicando un punto de travesía en cada una de tales partes iguales Echeverri, ( Echeverri, 2006). 3. Ya realizadas las perforaciones, se midieron y llenaron los datos de la tabla 2 a continuación: Tabla 2. Datos a medir en la prueba de chimenea
Dato Fecha y hora Temperatura chimenea * Exceso de aire % de O2 CO [ppm] NO [ppm] NOx [ppm] PMF Velocidad del gas
Metodología/Equipo Fecha y hora de la medición Analizador automático automático TESTO TESTO 340 Analizador automático TESTO 340 Analizador automático TESTO 340 Analizador automático TESTO 340 Analizador automático TESTO 340 Analizador automático TESTO 340 Tren de muestreo de PM Tubo de Pitot o Cálculo1
Toma de datos finales
Al finalizar el proceso de cocción de ladrillos, se realizará la lectura del puente de GN final, la cual permitirá conocer el consumo de este combustible en todo el proceso de cocción; y se realizará una última medición de la temperatura tempe ratura (final) en todos los puntos del horno.