RESUMEN Este trabajo presenta los principales resultados de la evaluación teórica de tecnologías para la fabricación fabricación de ladrillos, ladrillos, obtenidos obtenidos durante durante el análisis análisis de un proyecto proyecto orientado orientado hacia el empleo eficiente y racional de la energía en los diferentes procesos de análisis, en media y gran escala, así como al desarrollo de un análisis técnico, económico y medio ambiental para la tecnología mas apropiada para la industria del ladrillo. El planteamiento inicial del sistema de cogeneración fue el de conseguir una tecnología lo más eficiente posible para generar calor y electricidad en forma simultánea. Estando la cogeneración, considerada como Mejor Técnica Disponible (MTD). Los beneficios de la cogeneración, en lo que se refiere al ahorro de energía primaria, a la eliminación de pérdidas pérdidas en la red y a la reducción reducción de las emisiones emisiones contribuye contribuyenn al cumplimiento cumplimiento de los objetivos del protocolo de Kyoto de la Convención Marco de Naciones Unidas sobre Cambio climático. Las necesidades energéticas de las industrias ladrilleras hacen de éstos un candidato perfecto para la implantación de la cogeneración, esta debe ser aplicada en aquellos procesos en que se puede utilizar de forma eficiente el calor y parte de la energía eléctrica generada por el módulo de la cogeneración. Las plantas de Cogeneración superan sin dificultad un análisis de rentabilidad y más todavía al utilizar el gas Natural como combustible, el rendimiento del módulo de cogeneración, la disponibilidad y la calidad calidad del servicio servicio de mantenim mantenimiento iento y reparación reparación son son compone componentes ntes del del precio precio de la ener energí gíaa prod produc ucid ida. a. En el últim últimoo capi capitu tulo lo de esta esta tesis tesis se pres presen enta ta el siste sistema ma de cogeneración utilizado, todo a partir de los datos técnicos de consumo de energía eléctrica y térmica de los componentes de la industria ladrillera.
Se conc concluy luye e que que es conv conven enien iente te promo promove verr la sust sustitu ituci ción ón de leña, leña, llantas y/o productos contaminantes también hornos deficientes donde presenta casi el 50% de pérdidas de calor por sistemas más eficientes y que pueden funcionar con combustibles más ecológicos, no sólo por razones ecológicas sino económicas. Sin embargo, para asegurar la continuidad de los trabajos que se vienen desarrollando, es necesario capacit acita ar
a
los los
empres resarios ios
en
los los
aspectos
tecnológ lógico icos,
empresariales y de comercialización de insumos y productos.
ÍNDICE DEDICATORIA INTRODUCCIÓN RESUMEN ÍNDICE CAPITULO 1 ANTECEDENTES DE LA TESIS Pag. 1.1 Planteamiento y formulación del problema de investigación
1.1.1 Planteamiento
16 16
1.2 Formulación
17
1.3 Objetivos de la investigación
18
1.3.1 Objetivo general
18
1.3.2 Objetivos particulares
18
1.4 Marco teórico
18
1.5 Formulación de la hipótesis
20
1.6 Metodología del trabajo
20
CAPITULO 2 PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL LADRILLO 2.1 Situación Actual
21
2.2 Aspecto Ambiental
22
2.2.1 Factores de Influencia
23
2.3 Economía y Gestión
27
2.4 Situación en Huancayo
29
2.4.1 So Social, genero y trabajo infantil
30
2.4.2 Institucional
30
2.5 Aspectos Técnicos
31
2.5.1 Materia Prima e insumos
31
2.5.2 Ma Materiales usados como combustible
32
2.5.3 Proceso tecnológico utilizado
34
2.6 Impactos Ambientales
36
2.7 Calidad del Producto
38
2.8 Oportunidades de mejorar con PML
39
2.9 Me Mejoras en labranza: Mezcla, Moldeo y secado
40
2.10 Uso de combustibles alternativos
40
CAPITULO 3 EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA FABRICACIÓN DE LADRILLOS 3.1 Introducción
44
3.2 Quemas
45
3.2.l Energia requerida para quemar una unidad de masa de Ladrillo
45
3.3 Evaluación de tipos de tecnología
49
3.3.1 Electrotecnologías
49
3.3.2 Cogeneración
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CAPITULO 4 ANÁLISIS DE LA FABRICACIÓN FABRICACIÓN DE LADRILLOS UTILIZANDO COGENERACIÓN 4.1 Introducción
62
4.2 Metodología
62
4.3 Sistema de Cogeneración
63
4.4 Esquemas de cogeneración
66
4.4.1 Sistema de cogeneración de ciclo de cabecera
66
4.4.2 Sistema de cogeneración de ciclo de cola
67
4.3 Características básicas para la cogeneración
68
4.4 Sistema de cogeneración utilizado para la fabricación de ladrillo
69
4.5 Sistema de combustión
72
4.6 Horno
72
4.6.1 Horno de baja temperatura
73
4.6.2 Horno de alta temperatura
74
4.6.3 Proceso de quemado de ladrillo
77
4.7 Turbina de Vapor
79
4.8 Análisis técnico
82
4.9 Análisis económico
86
4.10 Análisis Ambiental
87
4.10.1 Dióxido de carbono CO2
88
4.10.2. Monóxido de carbono CO
89
4.10.3 Vapor de agua
90
4.10.4 Material particulado
90
4.10.5 Material tóxicos
92
4.10.6 Compuestos orgánicos volátiles (VOC)
93
4.10.7. Óxidos de azufre SO X
94
4.10.8 Óxidos de nitrógeno NOX
95
4.10.9 Ahorro ambiental
97
4.11 Calidad de ladrillo obtenido
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS
CAPITULO I ANTECEDENTES DE LA TESIS 1.1 PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 1.1.1 PLANTEAMIENTO Con la presente tesis pretendo mejorar la eficiencia energética en las ladrilleras, reduciendo al mínimo o nulo
el Impacto Ambiental que
actualmente tiene un elevado valor. Hoy en día no es novedad leer sobre diferentes tecnologías para obtener energía térmica y también energía eléctrica a muy bajo precio pero lo principal con un reducido impacto ambiental. Si hablamos de estas tecnologías hablamos primero de la cogeneración, que ya muchas industrias la utilizan y por sus experiencias sabemos que es muy viable al requerir energía térmica y energía eléctrica, ya que la cogeneración produce en conjunto las dos energías con la misma cantidad de combustible que obteniendo calor y electricidad separadamente, también es muy competitiva porque tiene diversidad de tecnologías que utilizan diferentes
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tipos de combustible que puede ser por ejemplo el gas natural que es la mas económica actualmente. En segundo podemos mencionar a las células fotovoltaicas que es considerada energía verde ya que no produce ningún tipo de contaminación, y que tecnológicamente se encuentra muy desarrollada cada celda está llegando a producir 0.8 Kw.-h y su precio cada día se abarata mas S/. 2000. No utiliza ningún tipo de combustible por ende su costo de operación es cero a partir de la recuperación de la inversión. Por ultimo tenemos a las electrotecnologías que son sistemas y equipos que utilizan electricidad para producir y procesar bienes de consumo no provee contaminantes a la atmósfera directamente. Haremos uso de una instalación por calentamiento por inducción. Esta tecnología es de una inversión muy baja pero existe un gasto mensual de energía eléctrica que es bajo. La justificación del tema propuesto es PRÁCTICA Y METODICA, por que el tema conlleva a la realización práctica a bajo costo, con una devolución de inversión en un tiempo bastante corto y un tiempo de vida del proyecto largo es innovador pues sale de lo común, no utiliza como combustible ningún tipo ya empleados actualmente.
1.2 FORMULACIÓN ¿Cuál de las tecnologías energéticas será más viable técnica y económicamente para obtener la eficiencia energética en la industria ladrillera en Huancayo? VARIABLES DEPENDIENTES
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Poder calorífico, Irradiación solar, Intensidad del campo magnético VARIABLES INDEPENDIENTES
. Energía eléctrica . Energía Térmica . Kilo watts Hora
1.3 OBJETIVOS 1.3.1 OBJETIVO GENERAL -
Minimizar los costos de producción, aumentar la productividad teniendo eficiencia energética en las ladrilleras
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS -
Identificar, valorar y reducir los impactos ambientales generados por las ladrilleras
-
Proponer una nueva tecnología donde la inversión requerida se pueda recuperar en un tiempo razonable.
1.4 MARCO TEÓRICO La actividad de fabricación de ladrillos está ampliamente distribuida a nivel nacional. Las empresas más grandes por lo general están adecuadamente formalizadas ante los gobiernos locales y ante la autoridad sectorial que es el Ministerio de la Producción. Poseen en su mayoría tecnologías de proceso mejor desarrolladas en cuanto a tipos de horno y combustibles que utilizan, lo cual les permite obtener productos de mejor calidad. Asimismo, están organizadas en
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forma empresarial desarrollando técnicas de gestión y de comercialización adecuadas con acceso a fuentes de financiamiento y créditos. Por el contrario, la gran mayoría de empresas ladrilleras de micro y pequeño tamaño distribuidas a nivel nacional, y principalmente en Junín presentan un alto grado de informalidad y utilizan técnicas artesanales para la fabricación de sus productos. Emplean como combustible casi cualquier material que pueda ser quemado. Los hornos empleados son artesanales del tipo de fuego directo en los cuales la cocción se realiza depositando los combustibles en el interior sin ningún tipo de control de la temperatura. Los productos así elaborados difícilmente pueden cumplir los estándares de calidad establecidos. Los principales impactos que genera la actividad de fabricación de ladrillos son sobre la calidad del aire y sobre la morfología del terreno. En el primer caso debido principalmente a las emisiones de humos procedentes de los hornos en la etapa de cocción que causan efectos directos e indirectos sobre la salud humana, la flora, la fauna, los cuerpos de agua, y contribuyen al cambio climático global. El tipo de combustible utilizado en su mayoría hojas y ramas de eucalipto proveniente de bosques cercanos, también se utilizan piedras de carbón, llantas; también aceites lubricantes usados, aserrín de madera.
1.5 FORMULACIÓN DE LA HIPÓTESIS
19
Si se implanta un sistema de cogeneración donde se produce calor y energía eléctrica en conjunto (cogeneración) para la industria del ladrillo será mas viable que aprovechar la irradiación solar mediante células fotovoltaicas para producir energía eléctrica y calorífica para la ladrillera o más viable aún será la utilización de electrotecnologias para tal industria logrando la eficiencia energética y ventajas técnico económica.
1.6
METODOLOGÍA DEL TRABAJO Para la adquisición del conocimiento el método que empleare en el desarrollo de la tesis es el método analítico - sintético; desarrollaré conceptualmente el entorno a los bloques propuestos, identificando cada una de las partes. En cuanto a las técnicas de investigación la tesis se desarrollará en base a las fuentes secundarias (textos, revistas, documentos, etc),
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CAPITULO II PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL LADRILLO 2.1 SITUACIÓN ACTUAL La actividad de fabricación de ladrillos está ampliamente distribuida a nivel nacional. Las empresas más grandes por lo general están adecuadamente formalizadas ante los gobiernos locales y ante la autoridad sectorial que es el Ministerio de la Producción. No poseen en su mayoría tecnologías de proceso mejor desarrolladas en cuanto a tipos de horno y combustibles que utilizan, lo cual no les permite obtener productos de mejor calidad. Asimismo, no están organizadas en forma empresarial desarrollando técnicas de gestión y de comercialización adecuadas con acceso a fuentes de financiamiento y créditos. La gran mayoría de empresas ladrilleras de micro y pequeño tamaño distribuidas a nivel nacional, y entre las cuales están incluidas las de Junin, presentan un alto grado de informalidad y utilizan técnicas artesanales para la fabricación de sus productos. Emplean como combustible casi cualquier material que pueda ser quemado. Los hornos empleados son artesanales del tipo de fuego directo en los cuales la cocción se realiza depositando los combustibles en el interior sin ningún tipo de control de la temperatura. Los productos así elaborados difícilmente pueden cumplir los estándares de calidad establecidos. Con respecto a la ubicación de la planta de fabricación representada básicamente por el horno, la tendencia en el sub sector es ubicarla lo más cercana posible a la fuente de la materia prima principal.
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2.2 ASPECTOS AMBIENTAL Los principales impactos que genera la actividad de fabricación de ladrillos son sobre la calidad del aire y sobre la morfología del terreno. En el primer caso debido principalmente a las emisiones de humos procedentes de los hornos en la etapa de cocción (ver Tabla 2.2) que causan efectos directos e indirectos sobre la salud humana, la flora, la fauna, los cuerpos de agua, y contribuyen al cambio climático global. En el segundo caso porque la explotación de las canteras produce excavaciones que no solamente afectan el paisaje sino también la estructura y configuración del terreno ocasionando deforestación, pérdida de la capa productiva del suelo, y erosión. La actividad no genera efluentes de proceso, pero si residuos sólidos inertes constituidos por los escombros cerámicos provenientes de los productos rechazados por rotura o deficiente cocción y que según el Diagnóstico Ambiental del subsector Cerámica y Ladrillos se encuentran por debajo del 5%, pero que según los microempresarios entrevistados en Arequipa y Cusco están entre 5% y 15%.
Tabla 2.1 Contaminantes que genera el proceso productivo del ladrillo
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2.2.1 FACTORES DE INFLUENCIA Los factores que influyen en el grado y riesgo de contaminación ambiental por la industria ladrillera son:
Ubicación de la planta productora
Calidad del aire en la zona donde se ubica la planta
Materia prima
Tecnología de fabricación empleada (tipo de horno)
Tipo de combustible utilizado
Sistemas de control, eficiencia y prácticas operativas
Condiciones climáticas y configuración topográfica
A continuación se analizan estos factores para cada una de las localidades.
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-
Ubicación de la planta productora
En la periferia de la ciudad pero dentro de su radio de influencia climática. Las ladrilleras están ubicadas dentro del radio urbano de la ciudad, donde los numerosos hornos están ubicados en largas filas de terrenos contiguos a todo lo largo de la pampa y parte de las quebradas aprovechando los taludes formados por ésta. -
Calidad del aire en la zona donde se ubica la planta 1 En intervalos regulares y frecuentes, se puede observar a simple vista la gran cantidad de humo denso y oscuro generado por los hornos, que se extiende a través del valle y quebradas ocasionando la precipitación de partículas y cenizas en las poblaciones aledañas, principalmente cuando se queman llantas. Según los estimados de emisiones, los valores de mayor riesgo son los del Material Particulado en Suspensión (PTS) que está en el orden de 388 μg/m3, y el Dióxido de Azufre (SO2) en 91 μg/m3; mientras el primero pese a ser alto no puede ser comparado por no haber estándares en el país para PTS sino para PM10, el SO2 supera el ECA5. Las trochas carrozables de acceso son fuentes dispersas de emisión de contaminantes a la atmósfera debido al polvo generado por los vehículos que transitan en la zona.
-
1
Materia prima
ssssssssssssssssss
24
El aprovisionamiento de Arcilla y arena se hace mediante camiones contratados por viaje o camionada, y en la gran mayoría son materia prima ubicados en el mismo lugar de fabricación, el agua son transportados por camiones cisternas o recogidas cercanas al lugar. -
Tipo de combustible utilizado Mayormente carbón de piedra y llantas; también aceites lubricantes usados, cáscara de arroz, aserrín de madera, Arboles talados. La leña de eucalipto es el utilizado mayormente procede de la misma zona o aledañas, desde donde es traído en bruto o rajado por comercializadores quienes lo venden a las ladrilleras siempre ya trozadas.
-
Tecnología de fabricación empleada (tipo de horno) Los hornos son del tipo artesanal de fuego directo, de geometría rectangular, de tiro natural y abierto a la atmósfera. El material de construcción de los hornos es ladrillo y arcilla sin recubrimiento La mezcla de ingredientes para elaborar la masa se realiza en forma empírica, las cantidades se calculan por tanteo. La elaboración de moldes es manual El secado se realiza en forma natural al aire libre Capacidades desde 4 mil hasta 8 mil ladrillos por hornada existiendo unos pocos de mayor capacidad.
-
Sistemas de control, eficiencia y prácticas operativas
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Todos los controles en las diferentes etapas son manuales y empíricos basados en la experiencia del propietario lo que no permite mejorar la eficiencia operativa ni garantizar la calidad de los productos. Ante la prohibición de quemar llantas por parte del Gobierno Local el uso de carbón ha sido generalizado recientemente, aunque no existe todavía mucha experiencia en su uso. La mezcla de arcilla y agua es realizada también por niños y mujeres. El moldeo se hace en mesas de madera con moldes mixtos de madera y metal que según el tipo de ladrillo a fabricar pueden ser simples o dobles. El presecado al aire libre puede tardar de 3 a 7 días según el clima. Para iniciar el proceso de cocción o quema del ladrillo, se preparan briquetas de carbón cilíndricas con un agujero en la parte central, las cuales son colocadas como lecho fijo en la parte más baja del horno; esto se combina con un lecho de arrastre constituido por el carbón molido colocado en cada capa de ladrillos que se va acomodando en el interior del horno. Todo el proceso de cocción y enfriamiento tarda de 2 a 3 semanas con carbón como combustible; este mismo proceso realizado con llantas solo tarda 3 a 7 días según los microempresarios. -
Condiciones climáticas y configuración topográfica En la zona de Palian donde están la mayor parte de las ladrilleras, el clima es árido, seco y templado con escasa a nula
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vegetación, no hay agua disponible y la configuración del terreno es el de una pampa surcada por quebradas muy poco profundas. En las áreas planas más amplias está concentrada la población en viviendas de material noble
2.3 ECONOMÍA Y GESTIÓN A nivel nacional la producción de ladrillos tiene un consumo principalmente interno y, como parte de la cadena de las actividades de construcción es un subsector sumamente sensible a etapas recesivas o de bajo gasto público y privado. En la provisión de insumos para el proceso productivo, esta actividad se articula hacia atrás con el sector minería mediante la adquisición de materiales no minerales (arcillas, arena, entre otros) utilizados como materia prima, y de carbón de piedra utilizado como combustible; con el sector hidrocarburos para la adquisición de petróleo residual; con el sector agricultura para obtener cáscara de arroz o de café, y con el forestal para obtener aserrín de madera, ramas y troncos de eucalipto que también son utilizados como combustibles. Hacia delante esta actividad se relaciona con el sector construcción mediante la venta de sus productos finales. La gestión empresarial en estas empresas es inexistente, no tienen control de sus costos y prácticamente viven al día a nivel de sobre vivencia laborando entre un mínimo de 12 horas diarias y hasta 24 horas cuando están en la etapa de llenado del horno y cocción; las labores son familiares interviniendo el padre, la madre, los hijos mayores y hasta los pequeños en las diversas etapas del proceso. En promedio, realizan una “hornada” por mes.
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La comercialización se realiza a través de intermediarios que generalmente son distribuidores mayoristas quienes les compran el producto puesto en planta. Sus fuentes de financiamiento son propias y a través de los clientes o los intermediarios mediante el sistema de habilitación, en el cual les adelantan a manera de préstamo el pago de una parte de la carga del horno (hornada) cobrándole al fabricante un interés sobre el capital prestado de entre 10% y 20% en un período de 2 a 3 semanas. Otra modalidad existente es el alquiler de terrenos en las canteras, en la cual el microempresario se ubica en el terreno, por su propia cuenta construye el horno y fabrica el ladrillo, pagando al propietario un millar de ladrillos por cada ocho mil que fabrica. Otra característica importante es que como son microempresas familiares, tienen gran importancia en la economía de las comunidades y localidades donde están ubicadas pues se constituyen generalmente en la única actividad productiva generadora de trabajo y de ingresos. Si bien es cierto los trabajos son realizados mayormente por el grupo familiar, algunas ladrilleras contratan personal eventual para actividades como moldeo y para
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el proceso de llenado y encendido del horno. El pago por el moldeo puede ser por jornal o a destajo según la cantidad y tipo de ladrillo que se está fabricando. El pago al hornero puede ser a suma alzada o a destajo. El rol de la mujer es también importante ya que se trata de empresas familiares, pero la conducción del proceso es llevada por los hombres. Las mujeres apoyan en el proceso de fabricación y en algunos casos se encargan de los tratos comerciales. Toda esta situación descrita da como resultado una escasa o nula capacidad de inversión en mejoras. Actualmente este subsector muestra una tendencia al crecimiento debido a la puesta en marcha de diversos proyectos sociales de construcción de viviendas como son los proyectos del Fondo Mi Vivienda, y el Programa Techo Propio
2.4 SITUACIÓN EN HUANCAYO La gran mayoría de los microempresarios son informales y no tributan a la SUNAT. Si bien es cierto un gran número manifiestan ser propietarios, la realidad es que, según la Municipalidad, la mayoría solamente son posesionarios cuyos títulos de propiedad necesitan ser regularizados; hay otro grupo minoritario que son inquilinos y pagan una renta mensual por el usufructo del terreno. Existen intentos de asociarse en cooperativas, como en el caso de Arequipa lo están realizando como las Cooperativas “Primero de Mayo” cuyo Presidente manifiesta tener 18 ladrilleras asociadas, y “Virgen de Chapi” con 60 asociados;
sin
embargo estas organizaciones no desarrollan ninguna labor principalmente por falta de orientación en la gestión. El precio promedio de venta del millar de ladrillo común procedente de hornos artesanales puesto en planta es de
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S/. 140.00 a S/ 160.00. El millar de ladrillo mecanizado similar cuesta hasta S/. 200.00.
2.4.1 SOCIAL, GÉNERO Y TRABAJO INFANTIL La fabricación de ladrillo es una actividad productiva que, además de generar un insumo básico para la industria de la construcción, proporciona sustento a un número apreciable de familias. Durante la evaluación tanto en Huancayo como en Jauja se pudo observar que hombres, mujeres e inclusive niños participan en el proceso de mezcla, moldeo, preparación de carga del horno y retiro de productos cocidos del horno. Solamente la etapa de cocción es efectuada únicamente por hombres. En el aspecto organizativo si bien es cierto los líderes son hombres, en algunos casos existe una participación directa de las mujeres en la toma de decisiones principalmente de carácter comercial. De las asociaciones encuestadas se pudo notar que el trabajo familiar es preponderante por la poca capacidad de contratar otro personal para disminuir los costos operativos. Esto fundamentalmente en los hornos de menor capacidad. Las empresas con hornos medianos a grandes (de 8 mil a 25 mil por “hornada”), contratan personal para cumplir con su producción
2.4.2 INSTITUCIONAL2 El diagnóstico abarca a las empresas del país agrupadas en la Clasificación
Internacional Industrial Uniforme (CIIU) 2693, Productos de arcilla y cerámica no refractarias para uso estructural, cuya autoridad sectorial competente es el Ministerio de la Producción. A nivel regional, la competencia corresponde a las Direcciones Regionales de Producción. Por 2
MAYORGA, E. Adaptación de Tecnologías de producción de ladrillos en zonas rurales del Perú,Pag. 12
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otro lado, el CONAM también interviene mediante las respectivas Secretarías Ejecutivas Regionales-SER a nivel de coordinación, articulando entre las diversas instancias y niveles de gobierno las actividades relacionadas con el medio ambiente a través de los GESTA y de programas especiales como el Proyecto PROCLIM actualmente en ejecución. Otro actor importante a nivel institucional es el gobierno local o Municipalidades Provinciales y Distritales quienes ejercen una labor de fiscalización y atención de denuncias por actividades contaminantes que afectan a la salud de la población. En este mismo contexto, el Ministerio de Salud mediante la Dirección General de Salud Ambiental y las respectivas Direcciones Regionales, es el órgano técnico encargado de verificar y alertar sobre condiciones contaminantes que pudieran estar afectando la salud de la población.
2.5 ASPECTOS TÉCNICOS 2.5.1 MATERIA PRIMA E INSUMOS • Arcilla
La materia prima primordial en la elaboración de ladrillos es la arcilla. En el Cusco, tanto en la zona de fabricación de tejas como en las de ladrillos, las canteras de arcilla se encuentran muy cerca de los hornos por lo que los costos de flete son inexistentes o mínimos. • Arena
Al igual que la arcilla, en Arequipa la arena es traída desde lugares alejados por no habercanteras cercanas. • Agua
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En todos los casos de fabricación de ladrillos en Huancayo, el agua es abastecida mediante camiones cisternas. En otros casos el agua se extrae del río a cuyas orillas se encuentra el poblado.
2.5.2 MATERIALES USADOS COMO COMBUSTIBLE 3 • Llantas usadas
El uso de llantas usadas esta extendido en las Mype ladrilleras principalmente por el costo y por el tiempo de cocción de los ladrillos que, de acuerdo a las manifestaciones de los operarios, es de casi tres veces menor que con carbón de piedra. Mientras que con el uso de llantas usadas el tiempo de cocción y enfriamiento es entre 7 a 10 días, en los hornos que usan carbón antracítico es de 20 a 30 días. Cabe indicar que el carguío de ladrillos en el horno con carbón es 50% mayor ya que tiene otra distribución. Este material es el más contaminante de todos los usados como combustible puesto que su quema genera desde una elevada cantidad de partículas hasta humos altamente tóxicos de riesgo cancerígeno. • Aceites usados
Este material es utilizado en algunos casos, combinada con llantas usadas con ramas de eucalipto y viruta de madera. •
Viruta de madera
Este material es utilizado en Palian, combinada con llantas usadas y con ramas de eucalipto. • Ramas de eucalipto MAYORGA, E. Adaptación de Tecnologías de producción de ladrillos en zonas rurales del Perú, Pag. 33-45 3
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Es el único material utilizado exhaustivamente en toda la zona para la cocción de las tejas, probablemente debido al escaso espesor de estas que requiere menor cantidad de energía para el cocido. • Leña de eucalipto
Se utiliza en Jauja en forma de trozas o “rajas”, para iniciar el fuego y encender las briquetas de carbón. •
Carbón de piedra
Se utiliza en algunos casos, cuando sube el precio de la leña de eucalipto. En forma molida se agrega entre cada capa de ladrillos. En forma de briquetas se colocan en la parte baja de los hornos. Se arranca el horno primero con leña o con llantas para ayudar al encendido de las briquetas. Cabe mencionar que el uso de este material como combustible se ha iniciado hace poco tiempo debido a la campaña de las autoridades locales y sectoriales han prohibido el uso de llantas; por la misma razón, la experiencia de uso por los operadores de horno es limitada.
2.5.3 PROCESO TECNOLÓGICO UTILIZADO El esquema operativo es el siguiente:
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Gráfico N°2.1 Proceso Productivo •
Tamizado
La materia prima es tamizada manualmente, este proceso es efectuado por hombres y mujeres indistintamente, debido principalmente a que el material llega sin ningún control granulométrico. • Mezclado
El mezclado es efectuado en pozas en el suelo, en donde es mezclada la arcilla, arena y agua; no existe ningún tipo de control de humedad o densidad de la mezcla, el control es de acuerdo a la experiencia del operador. En esta etapa también participan niños y mujeres.
• Moldeado
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El material mezclado es moldeado en moldes metálicos dependiendo del tamaño, forma y uso del ladrillo, por ejemplo king kong, panderetas y para techos, utilizan cenizas como desmoldante para facilitar el retiro de la mezcla del molde. En esta etapa trabajan tanto hombres como mujeres. • Secado
Una vez moldeados los ladrillos y las tejas son secados al aire libre. Son colocados uno al lado del otro sobre mantas de plástico para que sequen al medio ambiente aprovechando las condiciones climáticas. Cuando llueve, los moldes se cubren con mantas de plástico para protegerlos de la lluvia. •
Cocción u Horneado
Los hornos en Arequipa son de geometría cuadrada o rectangular; en algunos son cuadrados por dentro y por fuera y otros tienen bordes circulares en el interior. Los hornos observados en Jauja, son todos de geometría circular. En la actualidad la cocción se efectúa a cielo abierto, es decir sin que los hornos sean cubiertos, sólo se tapan al final para dejarlos enfriar cerrados y evitar la formación de fisuras en los ladrillos por disminución brusca de temperatura.
2.6 IMPACTOS AMBIENTALES
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Como ya se mencionó anteriormente, el principal impacto ambiental ocasionado por los procesos de fabricación de ladrillos es la contaminación atmosférica seguida por la alteración de las características geomorfológicas y topográficas del terreno o cantera donde están ubicadas las canteras de arcilla y arena. La fabricación artesanal de ladrillos en hornos de fuego directo sin chimeneas, produce humaredas con altas emisiones de material particulado por la quema de aserrín de madera, cáscara de arroz o de café y sobre todo por el uso de llantas lo cual genera un problema de calidad ambiental y molestias a los vecinos en los sectores donde es más intensiva la actividad. La extracción de la materia prima removiendo la base de los taludes o excavando y haciendo que quede un desnivel con relación a las zonas circundantes, afecta grandes áreas y genera impactos negativos como la eliminación de la capa orgánica fértil junto con la vegetación arbórea, arbustiva y herbácea, quitando capacidad de drenaje y sostén al terreno incrementando el riesgo de erosión e inestabilidad. En los cuadros 2.1, 2.2 y 2.3, se muestran los efectos sobre el ambiente y la salud de los principales contaminantes atmosféricos8 generados en el subsector.
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Grafico N° 2.2 Efectos del Material Particulado (PTS)
Grafico N° 2.3 Efectos del Dióxido de Azufre (SO 2)
Grafico N° 2.4 Efectos del Dióxido de Nitrógeno (NO 2)
La parte más contaminante y a la vez compleja del proceso artesanal de elaboración de ladrillos, se centra en la etapa de cocción y principalmente, en el encendido del horno. Para encender el horno se hacen arder llantas usadas y leña en las troneras; dada la mala ventilación de estas se produce un fuego carente de oxígeno, lo que provoca abundante emisión de humos y olores. De acuerdo al tamaño del horno, se procede a cerrar las troneras, de manera que se produzca una radiación de calor hacia las capas superiores. Es aquí donde se producen emisiones de vapores de agua del ladrillo y olores de emisiones del carbón. Esta
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última sub etapa no produce emisiones visibles dado que el proceso se realiza en forma muy lenta. Algunos hornos adicionan aserrín o viruta por la parte superior los cuales se encienden al final del proceso.
2.7 CALIDAD DE PRODUCTO La calidad de los productos de cerámica no estructural está regida por la Norma Técnica Peruana para la fabricación de ladrillos cuyo parámetro principal es la resistencia a la compresión que debe estar entre 104 y 137 kg/cm2. Para obtener estas condiciones, se deben controlar las variables de proceso como calidad y cantidad de ingredientes en la mezcla, porcentaje de humedad en el secado y temperatura de cocción. Un ladrillo para ser bueno debe reunir las siguientes cualidades: •
Homogeneidad en toda la masa (ausencia de fisuras y defectos).
•
Dureza suficiente para poder resistir cargas pesadas (resistencia a la flexión y compresión).
•
Formas regulares , para que las hiladas de los muros sean de espesor uniforme (aristas vivas y ángulos rectos).
•
Igualdad de coloración , salvo que se tenga interés en emplearlos como detalle arquitectónico de coloración.
Los buenos ladrillos están bien cocidos y tienen un sonido claro y metálico a la percusión; son duros y presentan el grano fino y compacto en su fractura. Sus aristas deben ser duras y la superficie, lisa y regular.
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En el caso de Huancayo, el producto presenta cantos deformados y no realizan ningún tipo de pruebas para verificar el cumplimiento de las especificaciones de la norma.
Las ladrilleras artesanales no tienen ningún control sobre las variables de su proceso por lo que la probabilidad de que sus productos no cumplan con las normas de calidad mínimas es muy alta; por lo mismo tampoco realizan ensayos de calidad. Como no pueden hacer un control adecuado de la temperatura del horno, uno de sus principales problemas de calidad es que tienen gran cantidad de productos crudos y otros sobre cocidos por mala cocción.
2.8 OPORTUNIDADES DE MEJORA CON PML 4 A continuación se discuten las oportunidades de mejora en microempresas ladrilleras aplicando criterios de Producción Más Limpia.
•
Materia prima Establecer requisitos mínimos de calidad en la materia prima e insumos, tales como granulometría de las arcillas y arenas; poder calorífico, cenizas, volátiles y contenido de azufre del carbón de piedra utilizado.
•
Procesos y Tecnología La idea de modificación de proceso más importante es en la etapa de cocción, mediante modificaciones en el diseño del horno de cocción y la selección del combustible a utilizar.
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MAYORGA, E. Adaptación de Tecnologías de producción de ladrillos en zonas rurales del Perú,Pag 33
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2.9 MEJORAS EN LABRANZA: MEZCLA, MOLDEO Y SECADO •
Optimización de mezclas Buscar hacer cargas idóneas con mezclas de arcillas y arena en proporción y granulometría adecuada a las exigencias del proceso para obtener productos de calidad homogénea y mejorar la consistencia y resistencia del producto final.
•
Uso de equipos auxiliares de medición y control Optimizar los tiempos de secado y cocción colocando o utilizando mecanismos de control. Principalmente el control de temperatura del horno y de la humedad del producto en el secado.
2.10 USO DE COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS Efectuar pruebas para obtener las características del carbón que se utiliza a fin de poder recomendar el uso adecuado; Realizar un balance energético para determinar las cantidades adecuadas de carbón a emplear en la cocción. Efectuar también un balance similar para la alternativa de utilizar gas como combustible.
Definir costos reales y tiempos de cocción óptimos. El combustible utilizado es el factor principal en la generación de contaminantes atmosféricos.
40
Ya hemos descrito todos los combustibles que se utilizan en las ladrilleras de Huancayo. Ambientalmente sería ideal utilizar gas como combustible, pero además de no haber disponibilidad cercana, su uso requeriría inversiones en instalaciones, sistemas de inyección, quemadores y medidas de seguridad que están fuera del alcance de las Mype ladrilleras. Sin embargo, en cuanto al gas, no debe descartarse la posibilidad de su uso en el futuro, y se debe promover su utilización en las ladrilleras mecanizadas. En segundo lugar tenemos el carbón de piedra procedente de la sierra del departamento de La Libertad que ya se usa en Huancayo. Las propiedades del carbón cambian según el lugar de procedencia y los métodos operativos deben estar acordes a las calidades disponibles. Por ello es necesario conocer la calidad del carbón analizando los siguientes parámetros: • Humedad total • Cenizas • Materia volátil • Carbono fijo • Poder Calorífico • Azufre total
Un alto contenido de humedad produce pérdidas de energía en los hornos al consumirse parte del calor en la evaporación del agua; así mismo dificulta su manejo y preparación especialmente si hay al mismo tiempo un alto contenido de finos. Hay que tener en cuenta que cierto contenido de humedad es necesario en algunos casos.
41
Bajos contenidos de ceniza favorecen una mayor disponibilidad de la capacidad de cocción.
Deben tomarse en cuenta que una baja temperatura de fusión de las cenizas pueden ocasionar la formación de clinker que interfiere con la distribución de aire durante la combustión y disminuye la eficiencia.
La materia volátil está constituida por los productos gaseosos liberados durante el calentamiento; si el porcentaje es bajo, se necesita un mayor precalentamiento del carbón mientras que un alto contenido favorece el inicio de la combustión.
El poder calorífico representa la energía de combustión del carbón y determina la cantidad de carbón que debe ser quemado para obtener una capacidad determinada en el horno. A mayor poder calorífico, mejor es el carbón. El contenido de azufre es desde el punto de vista ambiental el elemento más importante de conocer porque su presencia origina óxidos de azufre durante la combustión, que son sustancias altamente corrosivas y con efectos negativos para la salud y el medio ambiente. Si el contenido de Azufre en el carbón es alto, evaluar la posibilidad de hacer un lavado previo.
42
CAPITULO III EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LA FABRICACION DE LADRILLOS 3.1 INTRODUCCIÓN
43
La fabricación de ladrillos y tejas es realizada en su mayoría por mineros y campesinos emigrantes que en muchos casos se han iniciado en la actividad laborando como ayudantes de otros pequeños y micro empresarios, y luego, con esfuerzo, han construido sus propios hornos en el supuesto de que esta independización les permitirá mejorar su condición socio económica. Sin embargo, de esta manera solo consiguen atomizar aún más la actividad por la proliferación de microempresas con pequeños hornos de 3 a 5 mil ladrillos, que son ineficientes por tecnología y no rentables por economía de escala. A esto se suma el
nivel
educativo
preponderantemente
primario,
además del
desconocimiento de temas como costos, gestión y comercialización, de modo que son explotados por los intermediarios, lo que los coloca a nivel de economía de supervivencia, sin capacidad alguna de inversión o financiamiento.
3.2 QUEMAS5 La bibliografía coincide en asignar rangos similares para el consumo de energía, según el tipo de horno empleado, de simple, media o avanzada tecnología. La tabla 3.1, muestra la energía específica consumida al calor necesario para quemar un kilogramo de ladrillos. Evaluaciones efectuadas por ESPOL, que incluyen mediciones, encuestas y estimaciones, han concluido que los hornos usados en Ecuador de los tipos Clamp y Escocés, se encuentran en dichos rangos. En base a la información mencionada y a las características de los hornos de los productores nacionales, se decidió trabajar con los hornos tipo tunel alimentados con gas licuado de petroleo; que se caracterizan por tener paredes fijas. 5
MAYORGA, E. Adaptación de Tecnologías de producción de ladrillos en zonas rurales del Perú, Pag 85
44
3.2.1 ENERGIA REQUERIDA PARA QUEMAR UNA UNIDAD DE MASA DE LADRILLO Es posible estimar teóricamente la cantidad mínima de energía, vale decir de combustible, necesaria para quemar un kilogramo de ladrillo, a una atmósfera de presión y con valores típicos de humedad de 3%, temperatura ambiente de 20ºC y temperatura de sinterización de 1000ºC. Esta energía tiene tres componentes: Calor necesario para elevar la temperatura del agua contenida en el ladrillo húmedo hasta la temperatura de evaporación; calor necesario para convertir el líquido saturado en vapor saturado y calor necesario para elevar la temperatura de la masa del ladrillo desde la temperatura ambiente a la temperatura de sinterización. La energía total requerida, para quemar un kg de ladrillo en las condiciones típicas asumidas, es: Q Total = 0.81 MJ/kg Tabla 3.1 Energía especifica consumida al calor necesario para quemar un Kg de ladrillos. Tecnología Energía específica de Horno típico quema Simple 3.5 a 8.0 MJ/kg Clamp Media 2.3 a 6.5 MJ/kg Escocés Alta 1.0 a 2.5 MJ/kg Hoffman Por lo tanto los valores de energías específicas de quema inferiores a este valor mínimo teórico, no serían confiables e indicarían posibles errores cometidos durante la evaluación. Por otra parte, de acuerdo a la información encontrada sobre consumos específicos de energía en los hornos escoceses, encontrar valores menores a 2.3 MJ/kg indicarían ensayos no confiables o que la información internacional existente sobre el tema debe ser complementada.
45
Tabla 3.2 Quema tradicional de 12000 ladrillos (45.6 toneladas)
Tabla
Por todo lo expuesto, el conocimiento previo del poder calorífico del combustible o combustibles a ser usados en un ensayo, es requisito fundamental para calcular sus cantidades adecuadas para la quema. Aplicar la metodología de evaluación desarrollada por el proyecto, no sólo es útil para determinar el consumo específico de energía durante el proceso de quema, sino que a partir del resultado obtenido, permite determinar posibles errores en las mediciones o una estimación inadecuada de la cantidad del combustible empleado en la quema. Se han evaluado 13 quemas, empleando la metodología desarrollada por el proyecto.
46
Tabla 3.3 Quema mixta de 12000 ladrillos
47
Tabla 3.4.6 Formato de monitoreo 07
Tabla 3.5 Formato de monitoreo 13
MAYORGA, E. Adaptación de Tecnologías de producción de ladrillos en zonas rurales del Perú, Pag. 101
6
48
Se acompañan dos formatos de monitoreo, en los que se aprecia que la quema con madera (Formato 7), arroja resultados sobre el consumo específico de energía que se encuentran en el rango reportado. Sin embargo la quema empleando carbón mineral (Formato 13), muestra un consumo inferior, lo que sólo puede explicarse si los rangos reportados por la bibliografía sólo corresponden a quemas de ladrillo empleando madera.
3.3 EVALUACION DE TIPOS DE TECNOLOGIAS 3.3.1 ELECTROTECNOLOGÍAS Son sistemas y equipos que utilizan electricidad para producir y procesar bienes bienes de consumo. También pueden ser usados en procesos industriales tales como secado, calentamiento, tratamiento con calor y fundición. Estas tecnologías han demostrado que la electricidad no sólo se puede usar para alumbrado, alimentación de motores o electrólisis, sino que puede aplicarse en muchos muchos proce procesos sos indust industrial riales es y permiti permitirr la reducc reducción ión de costos costos de producció producción, n, aumentar aumentar la productividad productividad así como mejorar mejorar la seguridad y condiciones de trabajo. Auna Au nado do a lo ante anterio rior, r, las las elec electro tro tecn tecnol olog ogía íass ofre ofrece cenn otra otrass venta ventajas jas adicionale adicionaless como facilitar la automatiza automatización, ción, robotización robotización y supervisión supervisión comp comput utar ariz izad adaa de produ producc cció iónn indus industri trial al.. La gran gran varie varieda dadd de esta estass tecn tecnol olog ogía íass y sus sus ampl amplio ioss camp campos os de aplic plicac ació iónn hace hacenn difí difíci cill una una presentación presentación de ellas mostrando mostrando sus ventajas ventajas en el campo campo de la eficiencia eficiencia energética y con respecto al valor agregado del producto a ser terminado, así
49
como su impacto en el medio ambiente al disminuir los contaminantes a la atmósfera. Por ejemplo el calor producido por hornos de resistencia está basado en la Ley de Joule. El principio de funcionamiento es extremadamente simple y consis consiste, te, esquem esquemátic áticame amente nte,, en una cámara cámara calent calentada ada por resiste resistencia nciass eléctricas. Esta cámara, la cual es conocida como cámara de calentamiento u horno, debe ser aislada para reducir las pérdidas térmicas. Entre las aplicaciones de los hornos de resistencia se encuentran: fundición de metales, y, en particular, metales no ferrosos. Estos hornos trabajan a temperaturas de 1500ºC en la industria alimenticia ó a bajas temperaturas (100-3 (100-300º 00ºC) C) para para cocinar cocinar pan pan,, biscoc biscochos hos,, paté paté o secado secado de produc productos tos salados.
PROPIEDADES DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCION El calentamiento es controlado pues, por un “generador electrónico” de corrientes alternas con lo que es fácil conseguir un optimo control de la cantidad de calor que se entrega a la pieza y por lo tanto se puede fijar con precisión precisión la temperatura temperatura final o incluso incluso la curva de evolución evolución de la temperatura del material a calentar en función del tiempo. En el caso del calentamiento por inducción el cuerpo a calentar se puede llevar a una temperatura mucho más elevada que el de la “fuente” cosa que no se puede conseguir por métodos de calentamiento clásicos. De este modo se pueden conseguir, prácticamente sin limitaciones, grandes densidades de potencia potencia en en el material material a calentar. calentar.
50
La bobina inductora no tiene porque tener forma de solenoide ya que cualquier conductor atravesado por corrientes alternas crea un campo magnético también alterno que genera corrientes inducidas en un cuerpo conductor situado en su proximidad. Por lo tanto, se puede decir que no hay ninguna limitación en las dimensiones y forma de material a calentar. Esto supone una nueva ventaja ya que no solo es posible calentar materiales conductores de cualquier dimensión o forma, sino que además se puede calentar solo la porción del material que se desea. Es incluso posible calentar diferentes zonas de la pieza con la misma o diferentes temperaturas mediante un correcto diseño de la geometría del inductor o la asociación de varios de ellos. Además, y gracias al efecto piel que mas tarde analizaremos, se puede utilizar la energía transmitida en calentar solo la superficie del material, lo que supone, frente a otros procesos de calentamiento, un gran ahorro de energía. Por lo tanto, el calentamiento por inducción representa para la industria y demás campos de aplicación un método de calentamiento de materiales conductores de alta fiabilidad, versatilidad, eficacia y seguridad. Fiabilidad porque supone un proceso fácilmente controlable. Versatilidad porque siempre es posible realizar el calentamiento especificado sin prácticamente limitaciones. Eficacia porque el rendimiento del proceso es muy elevado. Seguridad porque el calentamiento se realiza sin emisión de gases u otros residuos, radiaciones electromagnéticas peligrosas ni cualquier otro elemento que ponga en peligro la seguridad de las personas.
51
APLICACIONES DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCION Las
aplicaciones
típicas
del
calentamiento
están
localizadas
fundamentalmente en la industria de transformaciones metálicas. A continuación se da una relación de los mas importantes.
Fusión. Los materiales son llevados a su temperatura de fusión en el interior de un crisol.
Forja. Se consigue un calentamiento homogéneo del material para un posterior proceso de conformado mecánico.
Tratamientos térmicos. Los mas comunes son los temples, revenidos y normalizados de piezas de acero. En el temple la superficie de la pieza es sometida a un calentamiento rápido y a un posterior enfriamiento con lo que se consigue una transformación de la estructura y composición del acero con objeto de aumentar su dureza. En los revenidos y normalizados un calentamiento controlado de la pieza reduce tensiones mecánicos o defectos de estructura del acero
Soldadura Mediante un calentamiento a alta temperatura de partes de una misma pieza o piezas distintas se consiguen soldaduras de alta calidad.
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Una aplicación especial de soldadura, en la que es prácticamente imprescindible el uso del calentamiento por inducción, es la soldadura de tubo en la que los bordes de una banda de acero previamente conformado se sueldan longitudinalmente para producir de modo continuo tubo de alta calidad. Existen además otras posibles aplicaciones como son:
Sellado de envases. La embocadura de algunos envases de material plástico se consiguen sellar añadiendo una fina cubierta metálica que se caliente por inducción consiguiéndose un posterior pegado debido a la fusión del plástico del envase que está en contacto con la lámina metálica.
Curado de adhesivos y pastas sellantes (bonding). En el sector del automóvil se suelen usar pastas especiales para asegurar el perfecto sellado y unión de diversas piezas sobretodo de la carrocería de los vehículos. Mediante calentamiento por inducción de las superficies metálicas donde han sido depositadas estas pastas se obtiene una gran mejora del curado de estas, optimizando su distribución y acelerando su fraguado.
Cocinas de inducción Mediante la inducción es posible construir cocinas con las que se consigue calentar ciertos utensilios metálicos de cocina con gran rapidez, seguridad y rendimiento.
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Sobrecalentamiento de gases ionizados En la generación de plasmas gaseosos de alta temperatura es posible, mediante la inducción, aumentar aun más la temperatura del gas ya que este, en forma de plasma, es conductor.
Fabricación de semiconductores El calentamiento por inducción se utiliza también en procesos de crecimiento de cristales de germanio y silicio, dopaje y deposición epitaxial.
CARACTERÍSTICAS DEL CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN Para las aplicaciones del calentamiento por inducción, son dos las características más importantes que definen la eficacia térmica y energética del proceso: 1.
El efecto piel que caracteriza la distribución de las corrientes inducidas
en la pieza. La intensidad del campo magnético alterno que penetra en el material decrece rápidamente al aumentar su penetración y por lo tanto también las corrientes inducidas. 2.
La potencia disipada en la pieza que caracteriza el rendimiento del
fenómeno eléctrico.
Los parámetros más importantes que intervienen en el proceso del calentamiento por inducción son:
1. La frecuencia de la corriente.
54
2. La naturaleza del material a calentar y su estado. 3. La intensidad de campo magnético inductor. 4. El acoplamiento entre el inductor y la pieza a calentar. 5. El tipo de inductor y sus características geométricas. 6. La naturaleza del material conductor del inductor. Su utilización para la industria del ladrillo seria muy costosa ya que esta tecnología se utiliza cuando se transfiere calor por conducción DIRECTA AL CUERDO.
3.3.2 COGENERACION La cogeneración consiste en la generación simultánea de calor y electricidad, siendo aprovechadas ambas. Comprende siempre un conjunto de tecnologías, disponiendo siempre de un impulsor, un generador de electricidad y un recuperador de calor. A la cogeneración también se le conoce como calor y energía combinados (CHP) y como energía total. El principio de halla detrás
de la cogeneración es muy sencillo, la
generación convencional de energía obtiene una eficiencia en torno al 35%, pudiendo llegar hasta el 65%, si se aprovechan las pérdidas por calor. Más recientemente la generación del ciclo combinado puede mejorar aún más estas cifras llegando al 55%, excluyendo las pérdidas por transmisión y distribución de la electricidad. La cogeneración reduce estas pérdidas aprovechando el calor dentro de las industrias, el comercio o bien la calefacción / refrigeración de edificios.
55
Figura 2.1 Esquema general de la cogeneración En la generación convencional de electricidad, del orden de 5-10% de las pérdidas están asociadas con la transmisión y distribución de la electricidad, procedente de estaciones de producción remotas, que ceden energía a la red eléctrica. Estas pérdidas son aún más elevadas cuando hay que suministrar esa electricidad a los pequeños consumidores.
VENTAJAS DE LA COGENERACIÓN
56
Siempre que la cogeneración sea optimizada en la forma en que se describirá más adelante en este capitulo (dimensionada con arreglo a la demanda de calor), obtendremos las siguientes ventajas 7. • Aumento de la eficiencia en la conservación y uso de energía. • Bajas emisiones al entorno, en particular de CO2 , componente principal
del efecto invernadero. • Es ciertos casos, en que los combustibles son de biomasa y/o algunos
materiales de residuos tales como los gases procedentes de refinerías, de residuos de procesos agrícolas industriales o urbanos (ej,: sean de la digestión anaerobia o gasificados, estas sustancias pueden ser usadas como combustibles para los esquemas de cogeneración, aumento así el coste eficiencia y reduciendo la necesidad de lugares de vertido). • Grandes ahorros en costes, proporcionando una competitividad mayor
para el comercio y la industria y ofreciendo a los usuarios, además, calor para sus aplicaciones domésticas. • Se consigue, además, una oportunidad de desplazarse hacia formas
descentralizadas de generación de electricidad, donde la planta es diseñada para cumplir las necesidades de los usuarios locales, proporcionándoles así una alta eficiencia, evitándose pérdidas debidas a las transmisiones eléctricas y a un aumento en la flexibilidad de utilización del sistemas eléctrico general. • Una oportunidad de aumentar la diversidad, en cuanto a plantas de
generación se refiere, con lo que aumenta la competencia entre los Fernandez Salgado. “Compendio de Energía solar, fotovoltaica, térmica y termoeléctrica”. Pag 250255 7
57
distintos suministradores de energía. La cogeneración proporciona uno de los más importantes vehículos para promover la liberalización real de los mercados de la energía, disolviendo los oligopolios existentes. • Aumento del empleo, un número considerable de estudio a han concluido
que el desarrollo de los sistemas de cogeneración es un verdadero generador de empleo.
AHORROS DE COSTE Y DE ENERGÍA Un esquema de cogeneración bien diseñado y que funcione correctamente tendrás siempre una mayor eficiencia energética que una planta convencional, lo que nos lleva a una reducción de la energía consumida y de sus costes. Utilizar el único combustible para generar calor y electricidad, hace que los ahorros de costes sean siempre dependientes del diferencial de precios existente entre el precio del combustible principal utilizado y los esquemas de precios a los que la red retribuye por la energía que se le cede. Sin embargo, aunque la cogeneración se realiza para obtener una electricidad más barata, su éxito depende de utilizar productivamente la recuperación de calor, de forma que el primer criterio a cumplir sea satisfacer adecuadamente los requisitos relacionados con el calor necesario.
58
Podemos comentar como primera regla que la cogeneración es probable que sea adecuada cuando exista una demanda de calor prácticamente constante durante unas 4.500 horas/año.
AHORROS MEDIOAMBIENTALES Además de los ahorros en costes directos, la cogeneración consigue considerables ventajas medioambientales ya que utiliza los combustibles fósiles de una forma mucho más eficiente. En particular, es un medio altamente eficiente para reducir las emisiones de dióxido de carbono ( CO2 ) y dióxido de azufre ( SO2 ). Los óxidos de nitrógeno ( NOx ) son
también reducidos mediante la introducción de las plantas de combustión modernas.
- Ahorro de CO
2
La evaluación de los ahorros en carbono a partir del proyecto de cogeneración es un asunto fuertemente debatido, ya que es muy difícil probar a qué electricidad desplaza. Este asunto ha estado en el meollo de la discusión en los mercados europeos, sin obtener finalmente acuerdo alguno. Los esquemas de emplazamiento de la cogeneración son: A Componentes de la cartera de la producción eléctrica en el país B ¿Será la generación más marginal del sistema? C
¿Cuál será la siguiente planta a ser construida por la industria de
energía?
59
D ¿Es la mejor planta teórica disponible? Dependiendo de la respuesta a cada una de las preguntas, los ahorros de carbono pueden variar de 100 Kg/MWh a más de 1.000 Kg/MWh. Lo mismo puede valernos para cualquier otro proyecto de generación de electricidad. Resulta razonable suponer que la mayor parte de la nueva cogeneración esté basada en el gas natural, al menos en los próximos 10 años. Por ejemplo, en el caso de una turbina de gas, con caldera para recuperar el calor gastado, se obtiene el siguiente ahorro: -
Relación calor/energía:
-
Eficiencia:
-
Emisiones de CO por unidad de combustible:
1.6 80%
2
225
g / kWh
-
Emisiones de CO por kWh de electricidad: 581 g / kWh
-
Se supone que la cogeneración desplaza a la electricidad
2
desde una mezcla de combustible y calor existente en una caldera, los ahorros serán de 615 g / kWh . -
Como se indicará más adelante, la tasa de producción de electricidad por cogeneración en Estados Unidos es del 10%, si bien se espera alcanzar el 18% en el 2010.
60
-
La tabla 2.18, ilustra lo que con este objeto podríamos conseguir en términos de reducción de emisores de CO . 2
Tabla 3.6 reducción de emisores de CO . 2
Combustible desplazado
Ahorro en el CO (Millones Tm)
Electricidad-carbón y calderas carbón
342
Electricidad-gas y calderas de gas
50
Electricidad-mezcla fósil y calderas
188
2
Los resultados varían en función del combustible al que se va a desplazar:
Ahorro en NOx y SO
2
Para calcular el ahorro de NOx y SO , se aplica el mismo principio, 2
para ello es necesario mirar antes a aquello que se está desplazando. De acuerdo con los cálculos, se pueden conseguir los siguientes ahorros en el caso de una turbina de gas y una caldera de recuperación de calor:
Tabla 3.7. Reducciones de emisiones en una turbina de gas y una caldera Caldera reemplazada
NOx ( g / kWh
SO2 ( g / kWh )
)
8
Caldera de carbón
2,9
23,2
Caldera HFO
2,9
23,4
Prof., Dr., Ing. Manuel F. Cobas Pereira. “Calidad del suministro de la energía
eléctrica y la Generación distribuida”. Pag. 13
61
CAPITULO IV FABRICACIÓN DE LADRILLOS UTILIZANDO LA TECNOLOGIA DE LA COGENERACION 4.1. INTRODUCCION: La manera de fabricar ladrillos para la construcción, el tipo de combustible y el tipo de tecnología a utilizar para el quemado de ladrillo varían de un país a otro, dependiendo principalmente del nivel de desarrollo económico de la población. El objetivo de esta tesis es proporcionar nueva tecnología que permitan reducir el grado de contaminación de los hornos ladrilleros, mediante el uso de hornos térmicamente eficientes. Obteniendo en forma paralela otra clase de energía como la eléctrica.
62
4.2. METODOLOGÍA: Para determinar los perfiles de temperatura dentro del horno fijo, monitorear las emisiones a la atmósfera, así como estimar los coeficientes convectivos de transferencia de calor, se seleccionará la geometría, especificaciones de diseño y construcción y el combustible a utilizar, en este punto se consideran los sistemas de combustión menos contaminantes.
4.3 SISTEMA DE COGENERACION: En la actualidad en el Perú la palabra cogeneración se usa para designar indistintamente una gran cantidad de configuraciones de generación. Entre ellas las más importantes son las siguientes: • Autoproducción
eléctrica en base a combustibles obtenidos como
subproductos del proceso principal, por ejemplo residuos combustibles en la industria de la celulosa, • Generación de energía eléctrica mediante combustibles no convencionales,
por ejemplo residuos orgánicos, • Aprovechamiento
del calor residual en las plantas termoeléctricas en
diferentes procesos secundarios (calefacción, secado, etc.), • Aprovechamiento
del calor en plantas o procesos industriales o de
servicios para generar energía eléctrica. • En
este estudio, utilizaremos el término cogeneración en las dos últimas
acepciones. Esta forma de producción de energía es también conocida como generación combinada de calor y potencia.
63
• En la
industria, en la mayoría de los casos los circuitos de calor y energía
eléctrica están separados. Se compra el combustible para generar calor en las calderas y se contrata la energía eléctrica con la compañía distribuidora local, tal como se ilustra en la Figura 4.1.
Figura 4. 1. Sistema convencional En este sistema convencional, el combustible y la electricidad son usados por el proceso principal para generar trabajo útil. Debido a las características inherentes a los procesos o plantas que utilizan calor, siempre existen pérdidas en la forma de calor residual que generalmente es eliminado a la atmósfera. La cogeneración aprovecha este calor residual del proceso principal para generar energía eléctrica. Como resultado, el costo total del consumo de energía disminuye y, simultáneamente, se aumenta la eficiencia energética global de la planta o proceso. En la Figura 4.2 se presenta el mismo sistema de la Figura 4.1, pero ahora el calor residual es aprovechado para generar energía eléctrica adicional mediante la incorporación de un sistema turbinagenerador.
64
Figura 4.2. Sistema de cogeneración. De esta forma, para un mismo proceso, es decir, la misma cantidad de trabajo útil, en el primer caso se consume más energía que en el segundo caso. Asimismo, las pérdidas totales en el sistema de cogeneración disminuyen con respecto a la situación original ya que se aprovecha el calor residual. En el caso general, la energía eléctrica será parcialmente generada por el proceso mediante la cogeneración y la diferencia será comprada a la compañía distribuidora local. La proporción de cuanto se genera localmente y cuanto se adquiere externamente dependerá de la planta o proceso específico de cada industria. De hecho, hay sistemas excedentarios, es decir con capacidad de entregar o vender energía y hay otros deficitarios, aquellos que deben adquirir siempre parte de su energía eléctrica a la compañía distribuidora local. Dependiendo del proceso especifico, los rendimientos energéticos pueden aumentar típicamente entre un 30% a un 70% .
4.4. ESQUEMAS DE COGENERACIÓN.
65
Desde el punto de vista de las instalaciones, básicamente existen dos tipos: sistemas de cabecera ("topping system") o de cola ("bottoming system") .
4.4.1
SISTEMA DE COGENERACIÓN DE CICLO DE CABECERA
(TOPPING). 9 Aquí primero se genera electricidad y luego el calor se usa en los procesos industriales, en sistemas de aire acondicionado u otros requerimientos de carácter térmico. Por lo general se aplican a procesos que requieren temperaturas moderadas o bajas, por lo que poseen mayor campo de utilización y más versatilidad en su solución técnica. Es el sistema más aplicado en la industria. Para producir electricidad se utilizan turbinas a vapor, turbinas a gas o motores de combustión diesel. Si se trata de turbinas a vapor o motores diesel, el vapor o los gases de escape se convierten en fuentes de calor para procesos. Aplicaciones típicas de esta modalidad son el secado de madera u otros materiales de construcción, recalentamiento de metales, calentador de agua, aire o aceite y, en general, calderas para producir vapor. Si se utiliza una turbina a gas, los gases liberados tienen un alto contenido de oxígeno, por lo que se pueden utilizar para precalentar el aire de combustión de las calderas y disminuir así el combustible necesario. Por lo tanto los sistemas "topping" son ideales para turbinas a gas y ciclos combinados de turbinas a gas y vapor. 9
Gregorio Gil Garcia. “Energías del siglo XXI” Ediciones Mundi – Pag 112
66
Figura 4.3 Ciclo de Cabecera
4.4.2
SISTEMA DE COGENERACIÓN DE CICLO DE COLA
(BOTTOMING). 10 Su sistema primario es térmico, siendo posible extraer o recuperar calor del proceso industrial para producir electricidad. En este caso se requiere de vapor de alta calidad, es decir, cuya temperatura y presión sean las adecuadas para generar electricidad. Por lo tanto, se trata de procesos de temperaturas altas o medias. Este esquema se aplica típicamente en hornos, reacciones químicas y prensas de vapor de alta presión. El calor que se extrae de estos procesos sirve para generar vapor en una caldera de recuperación que luego se aprovecha en una turbina o generador. La ventaja de estos sistemas radica precisamente en este hecho, ya que no se requiere combustible adicional para generar electricidad. Esta configuración es muy usada cuando se trabaja con turbinas a vapor.
10
Gregorio Gil Garcia. “Energías del siglo XXI” Ediciones Mundi – Pag 119
67
Figura 4.4. Ciclo de cola
4.7 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS PARA LA COGENERACIÓN. En principio, cualquier sistema (planta, proceso o servicio) que tenga una importante demanda de calor y electricidad es un posible cogenerador. Sin embargo, en términos generales puede establecerse que los potenciales cogeneradores deben cumplir con alguna de las siguientes características: • Consumir
importantes cantidades de calor ya sea en forma de gases
calientes o en forma de vapor a baja o media presión. Con temperaturas del orden de 800 oC (o menores) mayores ventajas existen para cogenerar, puesto que la temperatura de los gases de escape de las turbinas varía entre 370 oC y 500 oC. • Disponer
de un combustible barato, que posea continuidad y calidad de
suministro. De hecho, mientras mayor es la diferencia de precios entre el combustible y la electricidad mayor beneficio económico reporta implementar un sistema de cogeneración.
68
El proceso involucrado debe ser continuo, es decir, las demandas por electricidad y calor deben estar presentes en por lo menos 4500 horas al año (factor de carga cercano al 50%). En general, dado el alto monto de inversión en el sistema de cogeneración, éste se justificará para ser diseñado como un sistema que cubra la demanda base y no como un sistema de manejo de las puntas. Incluso, para algunas aplicaciones se exige una operación continua sobre 8000 horas al año (factor de carga sobre el 90%) [8].
4.8 SISTEMA DE COGENERACIÓN UTILIZADO PARA LA FABRICACIÓN DEL LADRILLO: El sistema de cogeneración utilizado para la fabricación de ladrillos será el del ciclo de cola ya que el sistema primario es térmico es decir empieza con el proceso típico del horno, teniendo como salida altas temperaturas y siendo posible extraer o recuperar calor del proceso industrial se puede producir electricidad. Como se ha descrito anteriormente para la generación de electricidad se requiere vapor de alta calidad, es decir, la temperatura y presión sean las adecuadas para generar electricidad. Por lo tanto, se trata de procesos de temperaturas altas o medias. En este sistema también se puede aprovechar el vapor del proceso, si le aplicamos a un horno para el secado del ladrillo, que en la fabricación artesanal de ladrillos demora siete días con un flujo solar estable, que se ahorraría mano de obra de cubrir o trasladar los ladrillos crudos de las temperaturas adversas.
69
Entonces podemos decir que la parte térmica la aprovechamos en el horno donde se precisan en la parte de cocción temperaturas altas (próximas a 1000°C); en el secadero, del orden de 100°C y en el prehorno 150 a 200°C. La temperatura del secadero debe tener baja temperatura para evitar que una vaporización violenta en el ladrillo produzcan grandes poros que debiliten el ladrillo. Pero en realidad hay otros puntos en que existe o puede existir déficit de calor. Tal es el caso del prehorno y también del horno. El caso del prehorno es evidente, ya que si se introduce el material en el horno precalentado el proceso de cocción se puede acelerar aumentando la productividad del horno y, por tanto, disminuyendo el consumo específico, pero hay que estudiar dónde se tienen necesidades de calor de bajo nivel térmico en el horno. Es conocido que lo que limita la producción de un horno es la velocidad de calentamiento porque a partir de cierto gradiente de temperatura, aumenta mucho el riesgo de fisuración. Por tanto, conseguir una pendiente constante es el ideal. En los hornos siempre suele haber alguna zona donde hay una cierta irregularidad térmica (véase Fig. 15). En esta zona hay un déficit de calor y ahí es donde se puede utilizar el calor de cogeneración con tres efectos beneficiosos: tener un consumo de calor prácticamente constante, aumentar la calidad de la cocción y aumentar la producción de manera significativa (lo más importante)
70
Figura 4.6 Sistema de Cogeneración para la fabricación de ladrillos
El aumento de producción en un proceso cuya materia prima es prácticamente gratuita significa un aumento directo de los beneficios de la fábrica. El efecto energético de ello es que si la producción se aumenta y las pérdidas, que dependen fundamentalmente de la superficie del horno, se mantienen constantes, diminuye el consumo específico de energía. Ventaja que se une a la de que se utiliza una fuente de energía más barata, como es la cogeneración.
La utilización de todo el potencial de cogeneración, esto es: suministrar con la planta de cogeneración todos los calores necesarios en la fábrica, tiene muchas
71
ventajas. En primer lugar, varios lugares de uso del calor aseguran una mayor seguridad de aprovechamiento, pero también permite construir una instalación mayor que normalmente redunda en mayor fiabilidad de los equipos, economía de escala y mejores rendimientos.
4.9 SISTEMA DE COMBUSTION El combustible empleado será gas licuado de petróleo con y sin aditivo. Por otro lado, se utilizaron dos clases de quemadores: admosférico, (denominado dragon) y de turbina (en donde el aire es alimentado mediante soplador)
4.10 HORNO A diferencia de las calderas, que son equipos estandarizados, los hornos comprenden una gran variedad de equipos que utilizan gases calientes para fundir, calentar o generar reacciones químicas en procesos industriales. Esto implica que las propiedades del proceso y los gases de escape sean muy diferentes en temperatura y composición química. Para este efecto los hornos se separaron en dos tipos:
4.10.1 HORNOS DE BAJA TEMPERATURA 11 Éstos
operan a temperaturas inferiores a 500ºC. En ellos puede
reemplazarse parte del calor generado por el combustible actual por los gases de escape de un motor o turbina a gas. En este caso la cogeneración
11
L. Espinoza Quiñones. “La regulación del gas natural en el Perú y su impacto económico”. Pag. 132
72
produce electricidad y gases calientes (no vapor) a ser utilizados directamente en los procesos, siendo el más común el de secado. El cálculo del calor útil reemplazable en hornos de baja temperatura es análogo al de las calderas, y se calcula como:
Para estimar el calor reemplazable y el potencial de cogeneración se considera que los hornos de baja temperatura operan a un 50% de su capacidad (FC) y que en promedio es posible reemplazar el 50% de su calor útil )(α. Este último factor se fundamenta en que los perfiles de temperatura y presión, y los sistemas de circulación de gases en el interior de los hornos, no permiten reemplazar todo el calor útil del horno por gases de combustión provenientes de un motor o turbina. En los casos en que se usa como dato base el consumo de combustible, la fórmula es la siguiente:
Nota: En las industrias existen equipos térmicos de otros tipos, como secadores, calentadores, etc.. En estos casos el potencial de cogeneración se ha calculado en forma análoga a los hornos de baja temperatura.
73
4.10.2 HORNOS DE ALTA TEMPERATURA,
Son mayormente utilizadas en fábricas de vidrio, cerámica, cemento, fundiciones, etc., como es nuestro caso la fabricación de ladrillos; tienen temperaturas de operaciones cercanas o superiores a los 1000ºC. Sus gases de escape podrían utilizarse en una caldera recuperación que produzca vapor para ser utilizado en una turbina de vapor conectada a un generador eléctrico.
Sin embargo, muchas veces estos hornos tienen recuperadores de calor que aprovechan parte de la energía de los humos, los que finalmente salen a baja temperatura, por lo que no permiten cogenerar usando una caldera recuperadora. En otros casos los humos contienen gran cantidad de material particulado o SO2 lo que impide o encarece su utilización en calderas de recuperación. Esto puede explicar la baja utilización de turbinas de vapor. En este caso, el calor generado en el horno no es reemplazable por los gases de escape de un motor o turbina a gas, debido a que se requieren temperaturas muy superiores. El potencial de cogeneración se calcula a partir de la energía disponible en los gases en la chimenea del horno, la cual se calcula como sigue, dependiendo del dato base de cálculo :
74
Con FC=50%
Caso turbinas de vapor a contrapresión (TVcp): en este caso el rendimiento eléctrico del conjunto caldera recuperadora y turbina de vapor es de un 8,7%, por lo tanto:
El vapor a la salida de la turbina de vapor reemplazaría vapor producido en las calderas actuales, por lo tanto; la energía combustible reemplazada es :
Qreem [ Mcal / h ] =
Potencial Cogen [ MWe ] *1000 KWe 0.19 *η Caldera Mcal / h util
Caso turbinas de vapor a condensación (TV Cond): en este caso el rendimiento eléctrico del conjunto caldera recuperadora y turbina de vapor es de un 17%, por lo tanto:
En este caso no se reemplaza energía combustible en la industria y sólo se produce electricidad.
75
En ambos casos (TVcp y TVCond) no hay consumo de combustible en la cogeneración, ya que se está usando el calor residual de los hornos de alta temperatura. En los cuadros siguientes se resumen las eficiencias consideradas para los equipos térmicos y los factores utilizados en ellos para el cálculo del potencial de cogeneración. Tabla 4.1 Eficiencias de Equipo Térmico
Tabla 4.2 Factores de cálculo en Equipos Térmicos
76
Se diseñó un horno fijo intermitente de 3.04 m de largo por 3.04 m de ancho por 3.20 m de altura de pared fija y 1.5 m de sección de campaña. Dicho horno se construirá dentro de una fosa de 6.084 m de largo por 4 m de ancho por 1.90 m de altura, para permitir una carga máxima aproximada de 17500 ladrillos, se empleará 14 termopares para el control de temperatura, los cuales estarán distribuidos en tres secciones: •
En el primer nivel (base del horno) se colocaron 4 termopares.
•
En el segundo nivel (sección media del horno) 5 termopares
•
Tercer nivel (sección superior del horno) 5 termopares
4.10.1 PROCESO DE QUEMADO DE LADRILLO CON COMBUSTIBLE glp La quema de ladrillo se inicia con un flujo de alto de gas (5kg/cm2) con los quemadores dirigidos hacia el centro del tiro del horno. En la medida en que se visualice un color naranja luminosos característico se cambia la dirección de los quemadores hacia las paredes de los arcos, con el fin de homogenizar el color en todas las zonas de los arcos. Una vez que se consiga un color uniforme en el horno, se diminuye el flujo de gas para evitar la fusión de los ladrillos hasta que el calor se transfiera al 30% de la la altura total del horno, que es cuando se alcanza una temperatura de 850ºC en esta sección. Cubrir la parte superior del horno con una capa de tierra de 5 a 10 cm de espesor, en el momento que no se observe emisión de vapor de agua, iniciar
77
por el centro del horno con la finalidad de que el calor fluya hacia las paredes y esquinas del mismo TABLA 2.1 Consumo de combustibles y carga total en cada quema, bajo diferentes configuraciones del sistema de combustión. Quem a 1 2 3 4 5 6 7
Configuración Dragón horno fijo, GLP con aditivo Turbina, horno fijo, GLP con aditivo Turbina, horno fijo, GLP Dragón con vaporizador horno fijo, GLP Dragón con vaporizador campaña, GLP Turbina, horno fijo, GLP Dragón con vaporizador horno fijo, GLP
Tiempo (H)
Consumo Consumo de gas (L/1000 (litros) ladrillos)
Carga Total
14
450
52.9
8500
8.5
580
68.2
8500
9
405
40.5
10000
8
525
52.5
10000
7.5
540
54
10000
10
510
35.2
14500
10
600
34.3
17500
La tabla 4.1 muestra la configuración del sistema de combustión utilizado en cada quema (tipo de quemador de horno y de gas), duración del suministro de combustibles, el consumo total de gas y el gasto de combustible en cada una de las quemas. El tiempo de suministro de combustible se redujo de 20 horas (tiempo normal en el sistema de quemado tradicional empleando basura, aserrín u otros desechos) a 7.5 y 10 horas. En las quemas de 4, 5 y 7 se empleó un sistema de precalentamiento del combustible (vaporizador) para evitar el congelamiento de la superficie exterior de los quemadores. Además con esto también se eleva el poder calorífico del gas al aumentar la temperatura del combustible debido al
78
contacto directo de la flama con la tubería, reduciendo así el consumo específico de gas.
4.12 TURBINAS DE VAPOR Las turbinas de vapor han sido utilizadas como impulsores principales en los sistemas de cogeneración industrial durante muchos años. El vapor a alta tensión se forma en una cadena convencional y es expandido en una turbina para producir energía mecánica, que puede ser usada para accionar un generador eléctrico. La energía eléctrica producida depende de la caída de la presión de vapor que puede ser obtenida a través de la turbina antes de que sea utilizada en producir el calor requerido en el lugar designado. Este sistema genera menos electricidad por unidad de combustible que una turbina de gas o un motor alternativo, aún cuando su eficiencia general puede ser más alta, consiguiéndose rendimientos de hasta un 84%, basado todo ello en el vapor calorífico bruto del combustible. Para una generación de electricidad viable, la entrada del vapor debe ser a alta presión y temperatura. La salida del calor residual será de un grado relativamente bajo. Las condiciones de admisión del vapor de entrada suelen ser de 42 bar/400 0 C . La temperatura requerida por el proceso dictará las condiciones para la salida del vapor. Cuanto más alta sea la presión de entrada en la turbina, mayor será la energía producida, pero las altas presiones del vapor elevan también los costes, en especial los de la caldera. La presión óptima, por lo tanto, dependerá del tamaño de la planta y de las presiones del vapor requeridas en el proceso. Los ciclos de vapor tienen la
79
gran ventaja de que la caldera asociada en la planta puede ser diseñada para funcionar con cualquier combustible: gas, fueloil pesado (HFO), carbón, residuos urbanos o industriales y, a menudo, son capaces de funcionar con diversos tipos de combustibles alternativamente. La planta es intensiva en capital, ya que es necesaria con caldera de alta presión para producir el vapor impulsor. En los lugares existentes, donde los sistemas de vapor son suministrados por calderas de baja presión, será necesario reemplazar estas calderas por las de alta presión, manteniendo el equipo primitivo como reserva. Los ciclos de vapor producen típicamente una gran cantidad de calor comparada con la salida eléctrica, lo que se traduce en unos costes elevados de instalación medidos como euros/kWe. Sin embargo, la integración de un incinerador con una turbina de vapor basada en cogeneración puede resultar coste eficiente. Las salidas de energía pueden ser mayores de 500 kWe. La incineración presenta otros aspectos, distintos de la simple producción de energía, como es la producción de emisores no deseables. Como alternativa, algunos tipos de residuos pueden ser gasificados y el gas resultante utilizado como combustible en una turbina de gas, o incluso un motor de gas. Las turbinas de vapor pueden ser de dos tipos: • Turbinas a contrapresión, en las que la presión de salida es mayor que la
atmosférica. • Turbinas de condensado, donde la presión de salida es inferior a la
atmosférica y es necesario disponer un condensador.
80
La disposición más sencilla la obtenemos mediante una turbina a contrapresión en la cual todo el vapor fluye a través de la maquina y escapa de la turbina a una única y relativamente baja presión, adecuada al lugar de destino. Donde se requiera más de un grado de calor, el de alto grado es suministrado extrayendo el vapor de más alto grado de una parte más adelantada de la turbina (multietápica). Tales extracciones siempre extrañaran una penalización por una menor energía eléctrica extraída. Las turbinas de condensado maximizan la potencia de salida expandiendo todo el sistema de vapor a un cierto grado de vacío mediante el uso de un condensador, esto produce calor de grado bajo que, como regla general, no tendría por qué ser un objetivo de la cogeneración. La carga de calor del lugar gobierna la sobrepresión de modo que la potencia de salida dependa de la misma. Sin embargo, las turbinas de condensado se hallan libres de esta limitación.
ANALISIS ENERGÈTICO: a) Calor necesario para elevar la temperatura del agua desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de evaporación a una atmósfera (100 kPa), es decir a 100ºC. Según las tablas termodinámicas, el calor específico del agua a 0ºC es de 4.218 kJ/kg-ºK, a 27ºC es de 4.179 kJ/kg-ºK y a 100ºC es 4.218 kJ/kgºK. Se aprecia una variación insignificante de este valor en el rango de 0ºC a 100ºC. Tomando un valor promedio de estos tres valores se puede
81
asumir 4.199 para el calor específico del agua en dicho rango de temperaturas. El calor requerido para elevar la temperatura del agua será: Q1= 0.03 kg x 4.2 kJ/kg-ºK x (100 - 20)ºK = 10.08 kJ b) Calor necesario para convertir el líquido saturado en vapor saturado a las
mismas condiciones de presión y temperatura. De las tablas termodinámicas, las entalpías de vapor saturado y líquido saturado a 100ºC y una atmósfera de presión, son 419.04 y 2676.1 kJ/kg respectivamente. Por lo tanto, el calor requerido para cambio de estado será: Q2= 0.03 kg x (2676.1 - 419.04) kJ/kg = 67.71 kJ c) Calor necesario para elevar la temperatura de la masa del ladrillo desde
la temperatura ambiente a la temperatura de sinterización. Tomando en consideración que la temperatura de sinterización del ladrillo es de 950ºK y estimando en 0.75 kJ/kg-ºK el calor específico promedio de la masa de ladrillo, el calor necesario para llegar a la temperatura de sinterización será: Q3= 0.75 kJ/kg-ºK x 1 kg x (1000 - 20) ºK = 735 kJ Sumando estos tres componentes tendremos la energía total requerida para quemar un kg de ladrillo en las condiciones típicas asumidas. Q Total = 0.81 MJ/kg Al respecto es posible estimar teóricamente la cantidad mínima de energía, vale decir de combustible, necesaria para quemar un kilogramo de ladrillo, a una
82
atmósfera de presión y con valores típicos de humedad de 3%, temperatura ambiente de 20ºC y temperatura de sinterización de 1000ºC. SISTEMAS DE COGENERACIÓN TÍPICOS Impulsor principal
Combustible usado
Rango potencias (Mwe)
Ratio Calor / potencia
Eficiencia eléctrica (%)
Eficiencia general (%)
Calidad del calor
Turbina de vapor Passout
Cualquiera
1 a + 100
3:1 a +8:1
10 – 20
< 80
Vapor a 2 at de presión mínimo
Turbina de vapor con presión
Cualquiera
0,5 a 500
3:1 a + 10:1
7 – 20
< 80
Vapor a 2 at de presión mínimo
3 a 300
1:1 a 5:1
35 - 55
73 - 90
Vapor de grado medio alta temperatura del agua caliente
Turbina de gas de ciclo combinado
Gas, Biogás, Gasoil, Lfo,
Un ladrillo seco pesa 2.83 Kg., 10000 ladrillos pesa 1______________2.83 23000_________ x
x=65090 kg
Q 1 Kg ladr. = 0.81 MJ para quemar un kilogramo de ladrillos Entonces para quemar 23000 ladrillos se necesita, en 24 horas 0.81 MJ____________ 1 kg Q?
_____________ 65090 kg
Q TOTAL= 52722.9 MJ
Q total =52722.9 MJ/h ------- Q total = 12582.95 Mcal/h El potencial de cogeneración se calcula a partir de la energía disponible en los gases en la chimenea del horno, la cual se calcula como sigue, dependiendo del dato base de cálculo : Qdisponible [ Mcal / h ] = QComb Max [ Mcal / h ] .FC ( 1 − η Horno )
83
Qdisponible [ Mcal / h ] = 12582.95 x0.5 ( 1 − 0.7 ) Qdisponible [ Mcal / h] = 1887.443 Potencial Cogen [ MWe] = Qdisponible [ Mcal / h ] 8.7% / 860 Potencial Cogen [ MWe ]
=
1887.443*8.7 / 860
Potencial Cogen [ MWe ]
=
19.09
El vapor a la salida de la turbina de vapor reemplazaría vapor producido en las calderas actuales, por lo tanto; la energía combustible reemplazada es para poder producir vapor y electricidad :
Qreem [ Mcal / h ] =
Qreem [ Mcal / h ] =
Potencial Cogen [ MWe ] *1000 KWe 0.19 *η Caldera Mcal / h util 19.09*1000 = 125592.1053 0.152
Consumos de energía primaria con cogeneración y método tradicional. Con Cogeneración Con la Cogeneración obtendremos tanto la energía eléctrica para nuestro consumo de nuestra frica y el vapor para secado y presecado del ladrillos todo a partir de la energía primaria del horno.
84
Sin cogeneración: Consumo de la parte eléctrica de la fabrica de ladrillos como son motores, ventiladores, e iluminación, y el consumo del horno para la quema de ladrillo
De la tabla COMBUSTIBLE
PODER CALORÍFIC O (BTU/gal)
PRECIO (US$/gal)
PRECIO EQUIVALENTE (US$/MMBTU)
Residual -500
151600
1.85
12.23
Residual - 6
151200
1.93
12.77
Diesel 2
131061
3.87
29.52
GLP
95877
2.41
25.11
Gas Natural
35310
0.18 US$/m3
5.15
(BTU/m3)
Para nuestro horno con capacidad de 23000 ladrillos necesitaremos q: Q TOTAL= 52722.9 MJ equivalente Q TOTAL= 50 M BTU 1 GALON __________ 95877 BTU X GALON _________ 50 M BTU necesitamos 521.50 galones
85
521.50 * 2.41 = 1256.82 US$ por quema, gasto como energía Primaria en el horno.
4.13 ANALISIS DE LAS EMISIONES ATMOSFÉRICAS 12 Cualquier actividad industrial causa una serie de impactos ambientales que afectan la atmósfera, las aguas, los suelos, la fauna y flora y al hombre, debido a la emisión de contaminantes gaseosos, vertimientos líquidos, residuos sólidos, generación de ruido y afectación de estructuras sociales. Las plantas de generación termoeléctrica no son ajenas a estos procesos, sin embargo, dependiendo de la tecnología y el combustible empleado, se podría afirmar que el mayor impacto ambiental es la emisión de contaminantes a la atmósfera, producidos por el proceso de combustión y la generación de ruido. El potencial impacto ambiental primario causado por los procesos de generación termoeléctrica y cogeneración es el deterioro de la calidad del aire, cuya magnitud depende entre otros de los siguientes factores: 1. Calidad del aire de fondo del área 2. Combustible utilizado en el proceso 3. Tecnología de generación o cogeneración empleada 4. Emisión de contaminantes 5. Sistemas de control, eficiencia y prácticas operativas 6. Condiciones climáticas y topográficas del área
12
R. Azañero T. Casos: “Generación Distribuida en base a Gas Natural.” Pag. 145
86
Los impactos ambientales secundarios se describen en relación con el elemento o sustancia contaminante que los causa y son aquellos efectos sobre la salud humana, la fauna, la flora, las construcciones y cuerpos de agua, desencadenados por el aumento de la concentración en el aire de una o más sustancias.
Figura 4.7 Proceso de la Combustión
4.12.1 DIÓXIDO DE CARBONO CO 2 El CO2 se forma por la reacción del carbono contenido en el combustible con oxígeno. El CO 2 es un gas inerte que no es nocivo en la atmósfera, sin embargo, el aumento de su concentración en la atmósfera contribuye al calentamiento de la tierra, “efecto de invernadero”, debido a su propiedad para retener la radiación del sol reflejada hacia el espacio por la tierra.
87
El CO2 es tomado y transformado en biomasa por la vegetación, mediante el proceso de fotosíntesis. Aunque la vegetación también emite CO 2 a la atmósfera mediante el proceso de la respiración, la cantidad de CO 2 transformado en biomasa es mayor que el emitido por la respiración. Los animales también emiten CO2 a la atmósfera mediante el proceso de la respiración. La deforestación y la quema de combustibles fósiles son las mayores fuentes de emisión de CO2 y causantes del aumento de su concentración en la atmósfera con el consabido efecto global.
4.12.2. MONÓXIDO DE CARBONO CO El CO se forma cuando la combustión del carbono es incompleta. El CO absorbido por los pulmones reduce el transporte de oxígeno a la sangre. Dependiendo de la concentración y tiempo de exposición causa el deterioro de la destreza motriz, es extremadamente venenoso y en altas concentraciones y en lugares cerrados, puede causar la muerte. El CO es inestable y tiene una duración corta en la atmósfera ya que fácilmente se oxida a CO2 liberando calor. La acumulación de CO puede causar explosiones o incendios. En la tabla 4.2. se muestran los efectos según la concentración de la emisión de CO.
Tabla 4.2 Efectos del monóxido de carbono CO Concentración (ppm) 50
Tiempo de exposición 6 semanas
EFECTOS Cambios estructurales en el
88
50
50 min
50
8 a 12 horas para no fumadores
corazón y cerebro de los animales Cambios en el umbral de la luminosidad relativa y la agudeza visual Impedimento en el funcionamiento de las pruebas psicomotoras.
4.12.3 VAPOR DE AGUA El vapor de agua se forma por la reacción entre el hidrógeno contenido en el combustible y el oxígeno del aire y por la humedad contenida en el aire inyectado para la combustión. Otra fuente importante de emisión de vapor de agua en las plantas termoeléctricas lo constituyen las válvulas de alivio y venteos de las calderas y torres de enfriamiento. El vapor de agua aún no es catalogado como un contaminante atmosférico, pero a nivel mundial se considera que contribuye al calentamiento global.
4.12.4 MATERIAL PARTICULADO El material particulado, está compuesto por ceniza (óxidos de silicio) e inquemados (hollín). La ceniza producto de la combustión se clasifica como de fondo y volante, la primera se deposita en el fondo del hogar o cámara de combustión, es recogida y dispuesta generalmente en patios o pilas, donde puede ser resuspendida a la atmósfera por acción del viento. La ceniza volante es arrastrada y emitida a la atmósfera por los gases de combustión. En la tabla 4.3 se pueden observar los efectos causados por el material particulado para diferentes concentraciones.
89
Figura 4.8 Producción de ceniza (material particulado) Las partículas que se emiten a la atmósfera son de variados tamaños y composición, lo cual depende de las características del combustible y condiciones termodinámicas de la combustión. Las partículas menores de 10 micras (PM-10) son las partículas respirables por lo que son las responsables de los efectos sobre la salud humana. Los principales efectos que produce el material particulado son: 1. Irritación de los ojos 2. Reducción de la visibilidad 3. Efectos tóxicos, que incluyen infecciones respiratorias, afecciones cardiacas, bronquitis, asma y pulmonía 4. En la vegetación causa el taponamiento de los estomas y posterior necrosis de las hojas 5. Ensuciamiento de edificaciones y el espacio público Tabla 4.3 Efectos sobre la salud del material particulado
CONCENTRACIÓN (µg/m3)
Efectos
90
260 – 400 400 – 625 625 – 875 875 - 1000
Leve agravamiento de síntomas en personas susceptibles Significativos síntomas de agravamiento y disminución de tolerancia al ejercicio en personas que sufren del corazón Comienzo prematuro de ciertas enfermedades y disminución de tolerancia al ejercicio en personas saludables Muerte prematura para enfermos o personas de avanzada edad. Las personas saludables experimentaran alteraciones en su actividad normal.
4.12.5 MATERIAL TÓXICOS El material particulado o los gases de emisión pueden incluir ciertos compuestos tóxicos Óxidos o hidruros de metales, como: •
Plomo
•
Cromo
•
Níquel
•
Arsénico
•
Mercurio
Minerales como: •
Asbestos
•
Berilo
•
Entre otros.
Los efectos dependen del carácter tóxico de cada componente, por ejemplo, el asbesto causa el desarrollo del cáncer en las membranas que revisten el pecho y abdomen, el berilio causa problemas pulmonares, daños en la piel y ojos y el mercurio causa daños en el sistema nervioso y a los riñones.
91
Generalmente estos elementos son emitidos en muy pequeñas cantidades, ya que su concentración en los combustibles convencionales, es baja.
4.12.6 COMPUESTOS ORGÁNICOS VOLÁTILES (VOC) Los VOC pueden ser moléculas orgánicas o hidrocarburos inquemados. Se pueden formar en las siguientes situaciones: •
Durante la combustión (a baja temperatura)
•
Formados por combustible no quemado a causa de una combustión incompleta (productos de combustión incompleta PICs).
Son emitidos principalmente cuando se usan combustibles derivados del petróleo. Estas sustancias están compuestas por: •
Carbono
•
Hidrógeno
Incluyendo: •
Hidrocarburos aromáticos
•
Oleofinas
•
Parafinas
•
Aldehidos
•
Cetonas
•
Hidrocarburos halogenados
Los VOC causan el smog fotoquímico cuando reaccionan con el NO x, causando problemas respiratorios, irritación de los ojos, reducción de la visibilidad y daño a la vegetación. Muchos de estos compuestos,
92
principalmente los aromáticos, son clasificados como cancerígenos, otros como el metano tienen una alta capacidad de retención de calor, de igual manera que el CO 2, son considerados gases de efecto invernadero. Algunos PICs pueden ser particularmente tóxicos o peligrosos.
4.12.7. OXIDOS DE AZUFRE SO
x
SOx es un término general el cual incluye SO2 (dióxido de azufre) y SO3 (trióxido de azufre). Los óxidos de azufre son producidos por la reacción entre el oxígeno contenido en el aire de la combustión y el azufre contenido en el combustible. El SOx mezclado con la humedad de la atmósfera, puede formar ácido sulfúrico y contribuir a la lluvia ácida, la cual causa daños en la vegetación y una acidificación de las fuentes naturales de agua. En consecuencia, afecta la reproducción de los peces y disminuye el plancton y la fauna de fondo de los cuerpos de agua, lo que reduce el suministro de alimento de los peces. Adicionalmente, puede acelerar la corrosión de las estructuras metálicas. Por otra parte, el SO x es un gas sofocante e irritante que puede ocasionar en varias especies de animales, incluyendo el hombre, broncoconstricción, que implica un ligero aumento en la resistencia en el conducto del aire. Tabla 4.4 Efectos de dióxido de azufre SO 2 CONCENTRACIÓN EFECTOS 0.037 – 0.092 ppm, media Aumento en la frecuencia de síntomas anual respiratorios y enfermedades pulmonares 0.11 – 0.19 ppm, media en 24 h Aumento en la tasa de corrosión de los metales 0.19 ppm, media en 24 h aumento en la mortalidad 0.3 ppm, 8h Lesiones en la vegetación
93
4.12.8 OXIDOS DE NITRÓGENO NO x NO x es un término general que incluye diferentes formas de los óxidos de nitrógeno, entre ellas: • Óxido nítrico (NO) • Dióxido de nitrógeno (NO2 ) • Trióxido de nitrógeno (N 2O3 ) • Pentóxido de nitrógeno (N 2O5 ) • Óxido nitroso (N 2O)
Figura 4.9 Formación de NO x Los NOx se forman de la reacción entre el nitrógeno que se encuentra contenido en el aire que se inyecta para la combustión, el nitrógeno
94
contenido en el combustible (en pequeñas cantidades) y el oxigeno del mismo aire inyectado. La formación de las diferentes formas del NOx depende de la temperatura de combustión y la cantidad de aire inyectado (cinética de la reacción). Comúnmente, se llama NOx térmico a los NOx producto de la reacción entre el N2 del aire y el O2 del aire, a alta temperatura. El NOx combustible se forma por la reacción entre el nitrógeno del combustible y oxígeno del aire inyectado. Más del 90% de los Nox en generación térmica son oxido nítrico. Cuando este es descargado a la atmósfera, éste reacciona con la luz solar y el aire produciendo dióxido de nitrógeno. El dióxido de nitrógeno combinado con los hidrocarburos inquemados forma oxidantes fotoquímicos que dependiendo de las concentraciones, pueden contribuir a la formación del llamado smog fotoquímico. Las especies trióxido y pentóxido de nitrógeno son más solubles que las demás siendo muy importantes en la formación de lluvia ácida. El NO x además causa irritación a los ojos y a la garganta e inclusive causa problemas respiratorios.
Tabla 4.5 Efectos del dióxido de nitrógeno NO 2 CONCENTRACIÓN (ppm) EFECTOS 0.25 ppm Absorción de la luz visible y reducción de la visibilidad 0.5 ppm, durante 10 a 12 Disminución del crecimiento de plantas días >0.01 ppm Problemas respiratorios: fibrosis pulmonar crónica, bronquitis, entre otros.
95
4.12.9 AHORRO AMBIENTAL: No se encontró ninguna relación entre el tiempo de quemado y la concentración de cada especie. En la tabla 4.2 se muestran los valores promedio de cada contaminante. El combustible GLP con aditivo genera mayor cantidad mayor cantidad de CO en comparación con el GLP normal, por lo que se descarta su uso posterior, aunque disminuye en un 10% aproximadamente el consumo de gas- Además la concentración de CO aumenta al incrementar la carga la carga de ladrillos y varia según la formulación, lo que significa que este también contienen compuestos que se queman y que las emisiones no solamente dependen del combustible que se emplee si no también de la composición del ladrillo.
En la Tabla 4.3 se muestra el número de veces que otros combustibles utilizados comunmente contaminan mas que el GLP, por lo que el uso de GLP de ambos tipos generó un disminución considerable de humo en comparación con el quemado tradicional, observandose solamente vapor de agua como unica emision visible a la admosfera y un olor no molesto producido durate las quemas, en comparación con la densa columna de humo generada en un quemado tradicional.
Tabla 4.2 promedio del monitoreo de los gases QUEMA
Temp. De
NO (ppm) NOx (ppm)
SO2
CO
96
emision (°C) 65 69 40 73 47 52 54
1 2 3 4 5 6 7
81 82 35 46 23 52 41
(ppm)
(ppm)
6 9 9 5 7 6 6
3914 3879 3986 2240 2401 3482 4334
83 86 37 48 24 54 43
Tabla 4.3 Número de veces que combustibles tradicionales contaminan mas que el GLP QUEMA NO2 NO CO2 CO
Combustible tradicional Llanta con aserrín Aceite quemado 7 6 5.5 1.5 1.5 1.5 14 6
aserrín 25 4 2 88.5
Ventajas ambientales Por cada 1000 kWh eléctricos auto producidos con Cogeneración se ahorra
Por cada 1000 kWh eléctricos auto producidos con Cogeneración se ahorra
0,15 ÷ 0,16
Temperatura
CO2 Dióxido de Carbono
450 ÷ 500 KG
190 Sm3
Metano
NOX Óxido Nitroso
9,3 KG
150 kg
A.C.P.M.
CO Monóxido de Carbono
2,5 KG
4.13 CALIDAD DE LADRILLO OBTENIDO: La pruebas de resistencia a la compresión indican que dicho parámetro oscila entre 20 y 40 kg/cm2 por lo que los ladrillos producidos en todas las quemas están
97
