CASOSDEEXITODE APLICACIÓNDETECNOLOGÍA...

INICIATIVAS LADRILLOS

CASOS DE EXITO DEAPLICACIÓN DE TECNOLOGÍAEN EL SECTOR LADRILLERO ENAMÉRICA LATINA

Elaborado por:

Swisscontact

Swiss Foundation for Technical Cooperation Para: Climate & Clean Air Coalition (CCAC) Junio 2015

Brick Production Initiative Technology Training Nodes in Latin America and Training Manuals for Asia and Latin America

Report on the scientific assessment of successful technology cases

in LAC

i

Índice

Índice i

Tablas ii

Figuras ii

1 Introducción 1

2 Horno de tiro invertido 2

2.1 Características técnicas 2

2.2 Experiencia de su aplicación 2

2.3 Potencial de replicación 4

2.4 Potencial de mitigación 4

3 Horno Colmena 5





4 Horno de cámaras continuas 9





5 Horno de cámaras tipo Cedan 11





6 Horno Túnel Móvil 14





7 Resumen comparativo 17

Bibliografía 18

Anexos

A.1 Factsheets de hornos para la producción ladrillera

A.2 Entrevistas

ii

Tablas

Tabla 1: Resultados del análisis económico-financiero del horno de tiro invertido ............................................... 3 Tabla 2: Resultados del análisis económico-financiero del horno colmena ........................................................... 6 Tabla 3: emisiones en horno colmena .................................................................................................................... 7 Tabla 4: emisiones en horno de cámaras continuas ............................................................................................. 11 Tabla 5: Resultados del análisis económico-financiero del horno Cedan ............................................................. 13 Tabla 6: Resultados del análisis económico-financiero del horno móvil .............................................................. 15 Tabla 7: Resumen de las características técnicas de los hornos ........................................................................... 17 Tabla 8: Resumen del potencial de mitigación ..................................................................................................... 17

Figuras

Figura 1: Esquema de operación del horno de tiro invertido ................................................................................. 2 Figura 2: Horno de tiro invertido ............................................................................................................................ 4 Figura 3: Esquema de operación del horno de tiro invertido ................................................................................. 5 Figura 4: Horno colmena en Colombia .................................................................................................................... 7 Figura 5: Horno colmena (abóbada) en Brasil ......................................................................................................... 8 Figura 6: Diagrama de funcionamiento del horno de cámaras continuas .............................................................. 9 Figura 7: Hornos de cámaras continuas ................................................................................................................ 10 Figura 8: Horno Cedan .......................................................................................................................................... 12 Figura 9: Horno móvil ............................................................................................................................................ 14

1 Introducción

La Iniciativa de Producción Ladrillera (Brick Production Initiative - BPI) de la Coalición de Aire Limpio y el Clima

(CCAC) tiene como objetivo lograr reducciones sustanciales de carbono negro y otras emisiones provenientes

de la producción de ladrillo, que afectan la calidad del aire en muchas ciudades del mundo generando impactos

en la salud y contribuyendo al cambio climático (CCAC, 2014).

Swisscontact ha sido contratada por el CCAC-UNEP para implementar cuatro nodos de capacitación tecnológica

en América Latina (Perú, Colombia, México y Chile o Brasil) y para la elaboración de un Manual de Capacitación

para América Latina. Este proyecto tiene un periodo de implementación de junio 2014 a abril 2016. Los

objetivos de este trabajo son: i) desarrollo y establecimiento de grupos de expertos internacionales para

consolidar el estado del conocimiento sobre la ciencia, la tecnología y políticas públicas; ii) capacitación para

fortalecer a actores clave en la adopción de tecnología; iii) apoyar a los gobiernos en el desarrollo e

implementación de políticas integrales de modernización del sector (reglamentos, incentivos, financiamiento y

otros instrumentos de política); y iv) desarrollo y difusión de información a lo largo de las redes internacionales

y regionales de expertos y partes interesadas.

El objetivo de este informe es presentar aplicaciones tecnológicas que han tenido éxito en el sector ladrillero

de América Latina, así como una descripción sus características, su potencial de mitigación de emisiones de

contaminantes de vida corta (SLCPs, por sus siglas en inglés) y otros contaminantes, y de la mejora de la

eficiencia energética y calidad de productos. Esta evaluación se ha realizado a través de la revisión de la

información disponible y la aplicación de entrevistas a expertos y stakeholders.

Para cada tipo de horno se han desarrollado 4 secciones, la primera incluye una breve descripción de las

características técnicas del horno (para más detalle ver anexo A.1); la segunda describe en que países y

regiones se ha implementado dicha tecnología, una o más experiencias específicas de implementación del

horno descrito, así como también resultados de la viabilidad económica-financiera de la inversión; en la tercera

sección se hace un análisis de las ventajas y desventajas del horno y en la cuarta parte se analiza el potencial de

mitigación.

Los hornos descritos en este informe son aquellos seleccionados mediante entrevistas a expertos, priorizando

aquellos con mayor potencial de replicación en América Latina, así como, mayor potencial de mitigación de

gases de efecto invernadero y carbón negro.

2 Horno de tiro invertido

2.1 Características técnicas

El horno de tiro invertido existente en Perú y Ecuador, es de forma rectangular, en la parte inferior se

encuentra un canal recolector de gases (tobera) y en la parte posterior se cuenta con una chimenea por donde

se evacuan los gases. El calor va entre la pared del horno y la carga de ladrillos de abajo hacia arriba para luego

ser succionado por la chimenea atravesando la carga de arriba hacia abajo, con lo que se consigue una cocción

homogénea de los productos dada la distribución uniforme de la temperatura en la cámara de cocción que

alcanza hasta 1000°C, lo cual supera el mínimo requerido para la sinterización que es de 850°C (EELA, 2014b).

Posee múltiples puntos de suministro de aire y combustible colocados en las paredes laterales del horno, y un

sistema de ventilación de velocidad regulable, adicionalmente puede inyectarse combustible (por ejemplo,

aserrín) a través de las tuberías hacia las cámaras de combustión (EELA, 2013c).

Figura 1: Esquema de operación del horno de tiro invertido

Fuente: Programa EELA

El ciclo de operación de este horno comprende entre 4 a 7 horas para el cargado, 12 a 18 horas para la quema,

y aproximadamente tres días para el enfriamiento y de 4 a 6 horas para la descarga de las piezas.

El combustible utilizado es madera, aserrín, cascarilla de café, entre otros (EELA, 2013c).

2.2 Experiencia de su aplicación

Los hornos de tiro invertido o llama reversa han sido construidos bajo diversas versiones en América Latina, por

ejemplo, está el horno colmena utilizado en Colombia y Brasil o el horno Paulistinha también en Brasil.

Sin embargo para el sector más artesanal (producción sin ningún tipo de maquinaria), con pequeña producción,

las posibilidades de inversión en un horno “mejorado” son muy limitadas, es por esto que se desarrolló una

versión de bajo costo para este tipo de hornos.

El primer ejemplo se hizo en Cusco (Perú), replicándose luego y con algunas mejoras, en Cuenca (Ecuador). En

Nicaragua, también hay una versión de este horno en los llamados hornos catenarios. Los productores que

poseen estos hornos lo usan preferentemente para la quema de ladrillos y en pocos casos para la quema de

tejas (EELA, 2013c).

Como ya se mencionó, al ser un horno pequeño y de relativa baja inversión, el paso usual es desde un horno

campaña1 al horno de tiro invertido, con un diferencial de consumo especifico de energía de alrededor de 30%

(SEC2

campaña: 4,6 MJ/kg ladrillo, SECtiro invert.: MJ/kg ladrillo), lo que significa a su vez, una reducción del 30% de

consumo de energía por cada unidad producida, con la consecuente reducción de las emisiones originadas por

1 horno artesanal construido con los propios ladrillos a ser cocidos cada vez que se realiza una quema, sin cubierta o techo

2 Consumo Especifico de Energía, por sus siglas en ingles

la quema del combustible (EELA, 2014b).

El Programa EELA evaluó la viabilidad económica-financiera de la implementación de este tipo de horno en

Cuenca (Ecuador), concluyéndose que solo era viable para un ladrillero artesanal con procesos mecanizados. En

dicho análisis, se determinó un costo de producción de situación base (horno campaña) de US$0,25 por unidad

y un precio de venta de US $0,35, permitiendo un margen de utilidad base de 27,3% (EELA, 2014c).

Con la implementación del horno de tiro invertido se obtiene una reducción de los costos de operación a

US$0,23 por unidad (casi 10% de la reducción del costo). El costo de inversión se estimó en US$18.900 y

considerando financiamiento, se estimó un VANF3 de US$20.966 y una TIRF

4 de 56% con un periodo de

recuperación de 1 año con 9 meses, tomado en consideración un financiamiento a un plazo de 5 años con tasa

de interés de 11% (ver siguiente tabla) (EELA, 2014c).

Asimismo, el punto de equilibrio para este tipo de empresa, se estimó en un nivel de producción mínimo de

13.206unidades mensuales, que en ventas significaría $US 4.622. Por este motivo, es importante resaltar que

las empresas deben contar con cierto nivel de mecanización para poder invertir en un horno de tiro invertido,

contando, al menos, con una extrusora pequeña, batidora y secadero que les permita tener mayor capacidad

de producción que el nivel artesanal, el cual tiene un nivel de producción típico de 10.000 unidades al mes.

Para la evaluación económica-financiera se consideró una producción mensual de 24.000 unidades (EELA,

2014c).

Tabla 1: Resultados del análisis económico-financiero del horno de tiro invertido

Nivel de inversión US$18.900

VANF US$20.966

TIRF 56%

Periodo de recuperación 1 año con 9 meses

Punto de equilibrio 13.206 unidades mensuales

Condiciones del análisis: financiamiento a un plazo de 5 años

con tasa de interés de 11%

Fuente: EELA, 2014c

En un ejemplo concreto de implementación del horno de tiro invertido en Cuenca-Ecuador (ver siguiente

ilustración), un empresario de la zona construyó éste horno con una capacidad de 7.000 unidades de ladrillo

con posibilidad de producción de hasta 28.000 unidades mensuales (4 quemas al mes). El horno requirió una

inversión de aproximadamente US$ 13.000 (sin incluir el costo de la asesoría en la construcción),

adicionalmente invirtió en una extrusora y secadero. Mediante una entrevista el empresario indicó que los

beneficios que ha observado con esta implementación son (ver anexo A.2):

Incrementó sus ventas en 200%

Disminución de costo de mano de obra y combustible

Mejores condiciones de trabajo y salud

Elaboración de nuevos productos

Nuevos clientes

Como desventajas mencionó:

Aumentaron los costos en control de procesos, energía eléctrica, mantenimiento de equipos

Formalización y pago de impuestos

3 Valor Actual Neto Financiero

4 Tasa Interna de Retorno Financiera

Figura 2: Horno de tiro invertido


2.3 Potencial de replicación

Si bien este tipo de horno tiene cierto potencial de adopción por parte de empresas ladrilleras pequeñas y

artesanales, también tiene ciertas barreras en su implementación, como son por ejemplo las limitaciones en

incrementar la capacidad de producción del horno, el trabajo adicional para la carga y descarga y demora en

enfriamiento en comparación con un horno campaña o sin techo.

El monto de la inversión varía en los diferentes países de América Latina entre US$14.500 -19.000; así también

las condiciones crediticias. En cualquier caso, se ha realizado un análisis de sensibilidad que indica que incluso

la variación de estos componentes refleja los beneficios de la inversión, sin embargo se debe tomar en cuenta

el nivel mínimo de producción (13.200 unidades mensuales en el caso del horno utilizado en Cuenca), el cual

dependerá del precio de venta y de los costos generados, para poder justificar esta inversión, así como del nivel

tecnológico que permita la reducción de otros costos variables.

Según lo mencionado anteriormente, este horno representa el paso de una producción artesanal a una semi-

mecanizada, lo que conlleva un cambio significativo en la forma de producción, inversión y riesgo asociado,

para lo cual, adicionalmente al incentivo económico, se requeriría del establecimiento de normas que exijan

una mejora en el desempeño ambiental, de otra manera difícilmente un gran número de ladrilleros artesanales

invertirán en tecnología que implique una inversión y cambio tan significativo.

2.4 Potencial de mitigación

El cambio de un horno campaña a un horno de tiro invertido implica una reducción del 30% de consumo de

energía por cada unidad producida, es decir, que este tipo de horno representaría alrededor de 30% menos de

emisiones a si el mismo ladrillo fuera producido en un horno campaña.

Tomando como referencia un factor de 100,9 g de CO2 emitidos en este tipo de horno por kg de ladrillo

producido (Swisscontact, INT, 2015), se estima una potencial reducción de 47,0 t CO2 al año por cada horno

instalado5.

En cuanto al carbón negro, se estima que este horno presenta una emisión alrededor de 0.19 g de carbón

negro por kg de ladrillo (Weyant, Ch., et al., 2014), lo que llevaría a una reducción de 0,08 t carbón negro al

año por cada horno instalado5.

5 Considerando un nivel de producción anual por horno de 1000 toneladas (Swisscontact, INT, 2015).

3 Horno Colmena


Este horno, de forma circular, también cuenta con el principio de operación de tiro invertido o llama

ascendente. La combustión se produce en las zonas laterales del horno (04 a 06 quemadores colocados de

manera equidistante). Las dimensiones del horno son entre 5 a 10 metros de diámetro y de 2,8 a 3,2 metros de

altura; y tienen una capacidad que varía entre 60 -110 millares (EELA, 2014b).

El tiro puede ser natural o forzado, los combustibles comúnmente utilizados son trozos, troncos y pedazos de

leña; en el caso de Colombia se utiliza carbón mineral, el cual es inyectado al horno como carbón pulverizado

junto con el aire forzado, lo que hace más eficiente el proceso de combustión. El ciclo completo de producción

consiste en 12 horas para la carga, 20 horas para el calentamiento, 18 horas para la quema, 27 para el

enfriamiento y 12 horas para la descarga, totalizando 90 horas o cerca de cuatro días, estos periodos pueden

variar dependiendo del tipo de producto, materia prima, tipo de proceso de quemado y combustible utilizado

(EELA, 2014b).

El consumo específico de leña es entre 1,15 y 1,60 st6/millar, equivalente a 2,31 - 3,71 MJ/kg. La eficiencia

térmica media es de 38%. Este horno es capaz de generar de 60 a 80% de productos de primera calidad (EELA,

2014b).

Figura 3: Esquema de operación del horno de tiro invertido

Fuente: EELA, 2015

6 Un estéreo (st) equivale a un apilado de madera de 1 m de largo por 1 m de ancho y por 1 m de altura. No equivale al

tradicional metro cúbico, porque existen grandes espacios vacíos entre los troncos. Un estéreo es aproximadamente 0,21 tMS (tonelada de materia seca) y aproximadamente 0,345 tep (tonelada equivalente de petróleo).


Este horno es ampliamente utilizado en Brasil, Colombia, entre otros países de la Región. Para el caso de Brasil,

la implementación de éste horno tiene tendencia decreciente en las zonas de producción con tecnología más

avanzada y creciente en las regiones productivas más carentes de tecnología, siendo las regiones Norte

Noreste y Centro-Oeste las que cuentan con un mayor porcentaje de este tipo de horno. Una situación similar

ocurre en Colombia, donde el horno colmena sigue siendo una opción de transición tecnológica para las

empresas más artesanales, como las que producen con los hornos a fuego dormido, mientras que las empresas

medianas piensan en cambiar a un horno con mayor eficiencia (EELA, 2014b; observación de campo).

En Brasil existen alrededor de 1.750 empresas que poseen este tipo de horno y en total producen alrededor de

10,3 billones de piezas al año (24% de la producción nacional); en Colombia se tienen alrededor de 349 hornos

colmena con una producción total de 209,4 millones de piezas al año (20% de la producción nacional), y en

Perú existen unos 10 hornos con una producción de 10 millones de piezas al año (19% de la producción

nacional) (EELA, 2015).

Como se mencionó anteriormente y al igual que en el caso del horno de tiro invertido, este tipo de horno

suelen implementarlo empresarios ladrilleros que producen con hornos campaña u hornos con paredes fijas

pero abiertos (sin techo); en éste caso las empresas deben contar con una producción relativamente mayor y

también con mecanización, como el uso de extrusoras.

El paso de un horno campaña a un horno colmena implica una disminución del consumo específico de energía

de alrededor de 25%, y de 12% para el caso de horno de paredes fijas a colmena, con porcentajes equivalentes

a la reducción en consumo de combustible (SECcolmena: 3,5 MJ/kg ladrillo, SECp. fijas: 4,0 MJ/kg ladrillo). En el caso

de Colombia, también se presenta la situación del cambio de un horno(s) a fuego dormido a colmena (EELA,

2015).

En cuanto a casos concretos de implementación de este horno, en esta sección se describen dos casos, uno

para Colombia y otro para Brasil.

En este caso, el Programa EELA también evaluó la viabilidad económica-financiera de la implementación de

este tipo de horno en Colombia y Brasil. En la tabla a continuación se muestran los resultados de dicho análisis.

Tabla 2: Resultados del análisis económico-financiero del horno colmena

Parámetro Colombia (Nemocón) Brasil (Seridó)

Nivel de inversión US $40.000 US$ 66.5300

VANF US$ 24.350 US$ 26.022

TIRF 42% 2,0%

Periodo de recuperación 32 meses 22 meses

Punto de equilibrio 64.842 unidades por quema ND

Condiciones del análisis

financiero

Paso de horno a Fuego Dormido a

Colmena.

Tasa de interés 3,3% mensual a un

plazo de 24 meses

Condición inicial 01 horno caipira,

producción 100-900 millares/mes.

Tasa anual de 10,0% a un plazo a 36

meses

ND: No disponible

Fuente: EELA, 2014a; EELA, 2015

En el caso de Colombia, la implementación la realizó un empresario del municipio de Nemocón, en la vereda de

Patio Bonito. Este empresario contaba con hornos a fuego dormido, los cuales demolió para construir un horno

colmena, asimismo adquirió una maquinaria para la extracción de arcilla y moldeo (extrusora).

Este empresario menciona que obtuvo una reducción en el consumo de combustible de alrededor de 22%

equivalente a 51 toneladas menos de carbón al año, así como, un aumento de casi 20% en la producción (EELA,

2012) (ver siguiente figura).

Figura 4: Horno colmena en Colombia

Zona de Patio Bonito Horno colmena


Cabe señalar que en Colombia existe presión por parte del gobierno para el cumplimiento a la normativa de

emisiones atmosféricas; el horno colmena operado con inyector de carbón pulverizado junto con buenas

prácticas productivas alcanza los estándares establecidos (ver siguiente tabla).

Tabla 3: Emisiones en horno colmena

Parámetro Límite de emisión (mg/m

3)

(Resolución N° 0909/2008)

Resultado de monitoreo en el horno

(mg/m3)

PM (Material Particulado) 250 (industria existente)

50 (nuevas empresas) 44,6

NOx (Óxidos de Nitrógeno) 550 (industria existente) 500 (nuevas empresas)

155,6

SOx (Óxidos de Azufre) 550 (industria existente) 500 (nuevas empresas)

186,0

Fuente: González y Fernando, 2013

Para el caso de Brasil, se realizaron 3 entrevistas a empresarios que construyeron hornos abóbada (colmena),

dos de las empresas están ubicadas en la zona de Seridó en la región Nordeste de Brasil y una en Santa

Catarina en la región Sur. En los 3 casos el cambio se hizo a partir de hornos caipira (hornos abiertos de paredes

fijas).

Para todas estas empresas la motivación para el cambio fue la mejora en la calidad del producto y el aumentar

las ganancias de la empresa, una empresa también menciona la reducción en consumo de leña y de las

emisiones (ver anexo A.2).

Todos los empresarios mencionaron que con el cambio de hornos obtuvo efectivamente una mejora la calidad

del producto, con un aumento de ventas entre 10% y 20% y un aumento de 20% a 40% de los ingresos netos.

En cuanto a los costos de producción, todos los empresarios coincidieron en que disminuyó el gasto en

combustible, y un empresario también menciono la reducción de costos en mantenimiento de equipos.

Asimismo, un empresario mencionó el aumento en el costo de mano de obra.

Figura 5: Horno colmena (abóbada) en Brasil

Horno abóbada Carga de tejas dentro del horno


En Brasil también existen límites de emisión aplicables a la industria ladrillera, que los hornos mencionados

deberán cumplir: 730 mg/m3 de Material Particulado (PM) para industrias de <10MW y 520 mg/m

3 de PM para

industrias entre 10 y 30 MW.


Como se mencionó anteriormente, este horno ha dejado de ser una opción atractiva de mejora tecnológica

para empresas ladrilleras con mayor acceso a tecnología. Sin embargo, sigue siendo una opción atractiva en

zonas de producción ladrillera de baja tecnología, aunque se debe tener en cuenta que para que la inversión

sea rentable, estas empresas deben contar con cierta mecanización, como una extrusora que les permita

mantener cierto nivel de producción.

Aunque la reconversión y análisis económico muestra indicadores positivos siempre y cuando se tomen como

referencia los niveles de producción indicados, el análisis de sensibilidad señala que los indicadores económicos

y financieros son altamente sensibles a las variaciones en el precio de venta, por lo que se debe de tener en

cuenta el tipo de producto y su valoración por el mercado. Adicionalmente, debe considerarse conseguir

financiamiento atractivo que viabilice también el proyecto en términos financieros.

Las ventajas de este tipo de horno es la baja complejidad para su construcción y para la operación. Entre las

desventajas que presenta y que limitarían su replicación está el consumo energético alto, la necesidad de

aplicar aire forzado durante la quema, un índice de pérdidas elevado y un ciclo de producción largo.


Considerando el cambio de un horno campaña a un horno colmena, la reducción del consumo de energía es de

25%, así, considerando que se emiten alrededor de 330,0 g de CO2 por kg de ladrillo producido (Swisscontact,

INT, 2015), se estima una potencial reducción de 941,7 tCO2 al año por cada horno instalado7 que reemplaza la

producción en horno campaña. En cuanto a carbón negro, se estima que este horno, al ser también un horno

tipo tiro invertido e intermitente tendría una emisión alrededor de 0.19 g de carbón negro por kg de ladrillo (Weyant, Ch., et al., 2014), lo que llevaría a una reducción de 0,5 t carbón negro al año por cada horno

instalado.

En el caso del cambio de un horno de paredes fijas a colmena, la reducción del consumo de energía es de 12%,

estimándose una potencial reducción de 406,7 tCO2 al año por cada horno colmena instalado que reemplaza la

7 Considerando un nivel de producción anual por horno de 4000 millares/año (9.080 t de cerámicos/año) (Swisscontact,

INT, 2015).

producción en horno de paredes fijas. En cuanto a carbón negro, se estima que este horno una reducción de

0,2 t carbón negro al año por cada horno instalado.

4 Horno de cámaras continuas


El horno multi-cámaras es un horno intermitente que posibilita el aprovechamiento de la energía de las

cámaras de cocción para el secado del material cerámico crudo. Esta recuperación de calor se hace mediante

un ducto especialmente diseñado y un tiro forzado que impulsa aire a través de las cámaras con material

cocido en la etapa de “enfriamiento”.

El proceso de quema involucra una serie de cámaras individuales conectadas entre sí, que comparten el mismo

ducto de chimenea. Cuando la primera cámara ha alcanzado la temperatura de cocción de 950 a 1.050 °C, la

segunda cámara estará entre los 300 a 400°C, para cuando esto suceda se inicia la combustión en la segunda

cámara y la tercera cámara aprovechará el calor residual de la segunda cámara; y así sucesivamente hasta

completar la serie. Por otra parte cada cámara tiene su compuerta para la combustión (ver siguiente figura).

Durante este proceso, la dosificación de combustible se realiza por la parte superior del horno mediante un

equipo dosificador, que inyecta el combustible mediante las mangueras de alimentación (CAEM, 2014).

Figura 6: Diagrama de funcionamiento del horno de cámaras continuas

Fuente: CAEM, 2014

El tiempo de cocción varía entre 7 a 8 horas y el enfriamiento puede tardar entre 6 a 12 horas por cámara, con

apoyo de ventiladores de enfriamiento (CAEM, 2014).

Se tiene un consumo de combustible de 2,37 MJ/kg ladrillos cocinado o de 0,08 kg de carbón/kg de cerámico.

En este horno se presentan perdidas de calor en las puertas y algunas fisuras de las paredes laterales del horno

(CAEM, 2014).

Cámara 4 Cámara 3 Cámara 2 Cámara 1

Hornilla

Equipo dosificador

Extractor

Brameras

Ducto Gases

Dámper Ducto pasa fuego

Muro corta

fuego

Puerta

cámara Cámara de

cocción

Chimenea

Flujo de calor

Flujo de gases

Inyección combustible

Figura 7: Hornos de cámaras continuas

Vista lateral horno Cámaras Continua Vista frontal horno Cámaras Continuas

Alimentación de combustible Cámara de quema

Fuente: CAEM, 2014


El horno de cámaras continuas es un modelo aplicable para microempresarios o pequeñas empresas con

capacidad de producción de 2 a 5 t/hora. Es una alternativa tecnológica atractiva en razón a su relativa baja

inversión, tasa interna de retorno alta, periodo de recuperación corto y permite iniciar con pocas cámaras y

luego incrementar el nivel de producción añadiendo más cámaras. Además permite la cocción de diferentes

productos con un bajo costo de producción, con respecto a otros hornos intermitentes. Dependiendo del nivel

de producción que se tenga, anterior a la reconversión, se genera un aumento de la producción del 15 al 25 %

con una mejora de ingreso por la reducción de uso de combustible y aumento productivo anual de US$100 a

US$130 mil (CAEM, 2014).

En Cundinamarca-Colombia, se ha instalado de un horno de este tipo por una empresa que desmontó el horno

colmena con el que contaba para construir el horno de cámaras continuas. El horno implicó una inversión de

US$172.200, se estimó una TIR de 56%y un VAN de US$8.002.110, adquirió además dosificadores de carbón

pulverizado y optimizó línea de producción con mejoras en equipos de trituración, extrusión y moldeo semi-

mecanizada (EELA, 2015).

Ahora cuenta con una capacidad de producción de 120.000 piezas al mes (600 t /mes) significando un aumento

de 7,4 % de la producción anual, redujo en 52 % el consumo de combustible por quema equivalente a 624

toneladas de carbón/año y 1.381 tCO2 /año que dejan de ser emitidas (CAEM, 2014).

Para verificar el cumplimiento de esta tecnología con los estándares de emisión de Colombia para este tipo de

industria se realizó un monitoreo de emisiones en donde se verifico el cumplimiento de la normativa (ver

siguiente tabla).

Tabla 4: Emisiones en horno de cámaras continuas

Parámetro

Límite de emisión (Resolución N° 0909/2008)

Resultado de monitoreo en el horno

(mg/m3)

PM (Material Particulado) 250 (industria existente)

50 (nuevas empresas) 76,66

NOx (Óxidos de Nitrógeno) 550 (industria existente) 500 (nuevas empresas)

70,32

SOx (Óxidos de Azufre) 550 (industria existente) 500 (nuevas empresas)

285

Fuente: CAEM, 2014


Como se menciona anteriormente, el rápido retorno de inversión de este horno junto con la posibilidad de

incrementar posteriormente el nivel de producción aumentando más cámaras, permite que la inversión de

capital pueda hacerse poco a poco.

El sistema de cámaras continuas permite la recuperación de calor de las cámaras con material cocido hacia las

cámaras continuas o para el secado en patios de material verde reduciendo el tiempo de secado

considerablemente y tiene flexibilidad de producción de diferentes productos.

Una desventaja es que suele haber exposición de los trabajadores a altas temperaturas. Adicionalmente, para

lograr buenos niveles de eficiencia y de calidad de producto es necesario un control cuidadoso de la

temperatura de quema.

Aún hay pocas experiencias en Colombia con este tipo de horno, por lo que la experiencia en la construcción y

operación del horno es aún limitada.


En el caso del CO2, el factor de emisión considerado para el horno colmena es de 330 g CO2/kg ladrillo cocido y

el factor de emisión para el horno de cámaras continuas es de 257 g CO2/kg ladrillo cocido (Swisscontact, INT,

2015), así, con el cambio de un horno colmena a un horno de cámaras continuas se obtiene una reducción de

emisiones de CO2 de alrededor de 22% por unidad producida, estimándose una potencial reducción de 331,4 t

CO2 al año por cada horno de cámaras continuas8 instalado que reemplaza la producción en horno colmena.

En cuanto a carbón negro no se cuenta con información de emisiones de un horno de características similares.

5 Horno de cámaras tipo Cedan


El horno Cedan está constituido por multicámaras interconectadas, que de forma similar al horno de cámaras

continuas descrito anteriormente, aprovecha el calor entre éstas, proporcionando una operación semi-

continua. El arreglo más común consiste en un conjunto de 6 u 8 cámaras a cada lado del horno,

interconectadas longitudinalmente por canales bajo el piso (tamiz) y otros canales sobre las paredes laterales

que separan la cámara de combustión y la cámara donde está el producto. La capacidad de ésta última puede

variar entre 25.000 a 40.000 piezas, de acuerdo con sus dimensiones internas, y conforme al tipo de producto

empleado (EELA, 2014b).

8 Considerando un nivel de producción anual por horno de 2000 millares/año (4.540 t de cerámicos/año) (Swisscontact,

INT, 2015)

La operación semi-continua de éste horno se caracteriza por el hecho de que siempre hay una cámara que está

realizando la quema; 2 a 5 cámaras siguientes y vecinas que cuentan ya con material cargado son

precalentadas, recibiendo el calor residual extraído de la cámara en proceso de quema. De otro lado, en las 2

cámaras anteriores a la quema, se hace el enfriamiento de la carga ya quemada, insuflando aire del ambiente.

Este aire intercambia calor con las piezas calientes, y se va calentando para ingresar a la cámara en fase de

quema, actuando como aire de combustión, lo que también contribuye a mejorar el rendimiento energético

(EELA, 2014b).

Los gases de combustión tienen un flujo ascendente dirigiéndose de la cámara de combustión al techo del

horno pasando por aberturas en la parte superior de la pared que separa la cámara de combustión de la

cámara donde están colocadas las piezas cerámicas. En este compartimiento, el flujo de gases calientes es

desviado para abajo, pasando a través de la carga y es dirigido para el subsuelo, cruzando un piso tamizado. De

allí el calor es direccionado para la cámara de combustión vecina por aberturas abajo del piso, atravesando la

pared que divide las cámaras (EELA, 2014b).

El proceso de quema en cada cámara puede variar entre 8 e 36 horas (promedio de 15 horas), dependiendo de

las características de la materia prima empleada y del tipo de producto final (teja, ladrillo o baldosa). La

temperatura de quema del horno debe situarse entre 800 a 950°C (EELA, 2014b).

En promedio, se pueden realizar cerca de 30 quemas mensuales, generando una capacidad de producción

mensual de 900 millares (con base en 85% de teja de 1,1 kg/pieza y 15% de bloque estructural de 2,4 kg/pieza)

o 810 t/mes.

La alimentación de combustible, en forma de leña, viruta o aserrín, se da por la parte superior del horno

(techo), pudiendo ser de forma continua o en lotes (intermitente).

El control de la quema se realiza a partir de la señal de temperatura de los termopares instalados internamente

en las cámaras, facilitando el control de la alimentación del aire de combustión y del propio combustible

(válvulas rotativas o alimentadores tipo tornillo). El consumo específico de leña de éste horno está entre 0,6 e

0,7 st/mil piezas producidas, equivalente a un consumo específico de energía entre 1,71 – 2,28 MJ/kg. El Cedan

genera cerca de 90% de productos de primera calidad (EELA, 2014b).

Figura 8: Horno Cedan



El paso común suele ser de hornos de tipo caipira a hornos Cedan, aunque también se dan casos de conversión

desde un horno abóbada o paulistinha.

En Brasil hay alrededor 150 empresas que tienen hornos Cedan y suman una producción de 1,5 billones de

piezas al año (~3,5% de la producción en Brasil) (Swisscontact, INT, 2015).

Se realizaron 4 entrevistas a empresarios que construyeron hornos Cedan, 3 de las empresas están ubicadas en

estado de Rio Grande do Norte de Brasil (RN) y una en el estado de São Paulo (SP). En los casos de RN, en una

empresa el cambio se hizo a partir de hornos caipira (hornos abiertos de paredes fijas), en otra a partir de

hornos abóbada y en la otra de hornos paulistinha. En la empresa de SP el cambio se hizo a partir de hornos

caipira (ver anexo A.2)

Para todas estas empresas la motivación para el cambio fue la mejora en la calidad del producto y el aumentar

las ganancias de la empresa, una empresa también menciona la reducción en consumo de leña y de las

emisiones.

Sobre los aspectos positivos, se mencionó un aumento de ventas entre 15%-35% y un aumento de ingresos

netos entre 20%-30%. Todas las empresa también afirmaron haber disminuido sus costos de producción y

únicamente la empresa de SP observó un aumento en los costos de mano de obra.

A continuación se muestran los resultados de la viabilidad económica-financiera evaluada por el Programa

EELA para la zona de Seridó en la región Nordeste de Brasil.

Tabla 5: Resultados del análisis económico-financiero del horno Cedan

Parámetro Brasil (Seridó)

Nivel de inversión US$274.440

VANF US$363.049

TIRF 6,0%

Periodo de recuperación 13 meses

Punto de equilibrio ND


financiero

Condición inicial 02 hornos caipira.

Tasa anual de 10%. Plazo a 36

meses


Entre las ventajas de este horno esta su alta eficiencia energética, flexibilidad de producción de diferentes

productos, bajo costo operativo, posibilidad de recuperación de calor para el secado, corto periodo de

producción, quema homogénea y bajo nivel de pérdidas por quiebre y rajaduras.

Entre las desventajas esta que tiene un costo de inversión relativamente elevado y una operación compleja.

Adicionalmente este horno cuenta con patente por lo que puede ser construido únicamente por el dueño de la

patente.


Como se menciona en la sección 5.2 los casos típicos son de paso de hornos caipira o colmena a un horno tipo

Cedan.

En el caso del cambio de un horno caipira (horno abierto de paredes fijas) a un horno Cedan, la reducción de

emisiones de CO2 es de alrededor de 53% por unidad producida (factor de emisión de Cedan: 175 g CO2/kg

ladrillo cocido) (Swisscontact, INT, 2015). Estimándose una potencial reducción de 2965,9 tCO2 al año por cada

horno Cedan9 instalado que reemplazaría la producción en horno caipira. En el caso del cambio de un horno

colmena a un horno Cedan, la reducción de emisiones de CO2 es de alrededor de 47% estimándose una

potencial reducción de 2287,0 tCO2 al año por cada horno Cedan instalado que reemplazaría la producción en

horno colmena.


9 Considerando un nivel de producción anual por horno Cedan de 6.500 millares/año (14.755 t de cerámicos/año)

(Swisscontact, INT, 2015)

Sin embargo, el flujo de aire/calor en este horno cuenta con varios re-direccionamientos, lleva a que el paso del

“fuego” (calor) sea más lento, lo que influye a una mayor retención del material particulado producto de la

combustión, disminuyendo este tipo de emisión atmosférica, y por ende, de carbón negro (EELA, 2014b).

6 Horno Móvil


El horno móvil es un modelo en el que la estructura completa del horno puede ser movida usando un sistema

de rieles, y colocarlo sobre un bloque de ladrillos verdes previamente ubicados para ser quemados. Debido a

sus propiedades movibles, los módulos que conforman la estructura pueden ser fabricados en acero y

cubiertos con fibra cerámica (aislante), de modo que la estructura del horno sea liviana. El combustible

utilizado puede ser biomasa, gas, petróleo o carbón, en el caso de la leña, ésta se suministra en forma de

pellets, briquetas o como polvo fino (EELA, 2014b).

El horno móvil tiene una forma rectangular y sus dimensiones pueden ser variables, con un ancho entre 3,4 a

9,4 m y una longitud por encima de los 30 m. La estructura móvil del horno (peso aprox. de 40 a 150 t) es

accionada a través de un sistema electro-hidráulico, que hace que el horno (estructura móvil) camine de una

base/plataforma a otra. Así, después de quemar en una primera base, el horno se desplaza hacia otra base

posicionada longitudinalmente. En uno de las lados laterales de la parte móvil están acopladas las hornillas de

quema (en general, 6 a 12 bocas) (EELA, 2014b).

En este horno, el tiempo de quemado es corto comparado con hornos tradicionales, debido a que los módulos

del horno están hechos de un material liviano (menos masa que calentar), lo que representa periodos de

quema y enfriamiento cortos, el tiempo de carga y descarga también se reduce, además de que los operadores

no requieren ingresar al interior del horno. El flujo de aire caliente, se desplaza hacia un ducto central debajo

del suelo para salir del horno para luego ser eliminado por la chimenea, es decir, como un tiro invertido. En

promedio, el tiempo de quema en los hornos móviles es de 15 a 25 horas y de enfriamiento de 12 a 15 horas,

totalizando un ciclo de 36 a 45 horas. El ciclo total dura aproximadamente 2 días, lo que depende de la

cantidad de material seco disponible para quemar (EELA, 2014b).

En casos de empresas con suficiente capacidad de secado, es posible contar con una tercera base/plataforma,

que posibilita el aumento de 12 quemas mensuales (con dos plataformas) a 15 con tres plataformas.

El consumo específico de leña varía entre 0,7 y 0,8 st/mil unidades, equivalente a 1,66 – 2,17 MJ/ kg de

material cerámico producido. Este horno es capaz de generar cerca de 90% de productos de primera calidad

(EELA, 2014).

Figura 9: Horno móvil



El horno móvil o metálico móvil comenzó a ser empleado en Brasil hace menos de seis años atrás, su

implementación fue incentivada por la disponibilidad de fibra cerámica a precio competitivo en el mercado

brasilero, esta fibra se utiliza para el aislamiento térmico en estos hornos y es significativa en el costo final del

horno. Actualmente, son cerca de 100 empresas con hornos móviles en Brasil produciendo un total de 1 billón

de piezas al año (~2,3% de la producción nacional) (EELA, 2014b; Swisscontact, INT, 2015)

Este horno tiene considerables ventajas técnicas, económicas y ambientales, ya que reduce significativamente

la demanda de energía térmica, incrementa la proporción de producto de primera calidad, reduce los costos de

mano de obra, aumenta la velocidad de producción, reduce emisiones y posibilita la producción de diversos

tipos de productos cerámicos. Por estas razones, se proyecta un aumento significativo en la cantidad de este

tipo de horno en los próximos años (EELA, 2014b).

En Brasil existen diez fabricantes/proveedores de hornos metálicos móvil, especialmente en las regiones donde

productivas donde existe mayor control ambiental y el suministro de la biomasa es más difícil y costoso.

Algunos proveedores están ya proyectando ventas de este en Brasil, Perú y otros países de América Latina

(EELA, 2014b).

Este tipo de horno es para empresas con un nivel de producción mayor a 1400 millares/mes (2160 t/mes) para

que la inversión sea rentable.

Se realizaron 2 entrevistas a empresarios que construyeron hornos Móvil, una empresa realizo en cambio a

partir de un horno colmena y la otra a partir de un horno paulistinha (ver anexo A.2)

Para ambas empresas la motivación fue la reducción en consumo de leña, mencionándose también la

reducción de mano de obra y la mejora en la calidad de producto.

Se mencionó que el cambio de horno ha permitido un aumento de ventas de 20% y de ingresos netos entre 20-

30%, ambas empresas observaron disminución en los costos de producción en combustible y mano de obra.

A continuación se muestran los resultados de la viabilidad económica-financiera evaluada por el Programa

EELA para la zona de Seridó en la región Nordeste de Brasil.

Tabla 6: Resultados del análisis económico-financiero del horno móvil

Parámetro Brasil (Seridó)

Nivel de inversión US$ 336.812

VANF US$ 1.707.202

TIRF 19%

Periodo de recuperación 6 meses

Punto de equilibrio ND


financiero

Condición inicial 02 hornos

abobada. Tasa anual de 10%. Plazo

a 36 meses

ND: No disponible

Fuente: EELA, 2014a; EELA, 2015


Como se mencionó anteriormente, se proyecta un aumento significativo en la cantidad de este tipo de horno

en los próximos años en Brasil y en la región, ya que presenta varias ventajas que promueven su replicación

como son, productos de primera por encima de 90%, permite la modulación de la velocidad de la quema, se

adapta a diferentes tipos de materia prima, buen desempeño energético, permite la recuperación de calor y el

uso de diversos tipos de combustible. El tamaño del horno puede variar según la capacidad de inversión y de

producción de la empresa. Una ventaja adicional es el financiamiento, como es un bien móvil, puede ser parte

de la garantía ya que en coso de no pago puede ser recuperado y colocado de nuevo en el mercado.

Entre las desventajas están que la construcción es costosa (altamente dependiente del precio de la fibra

cerámica), la operación tiende a ser más compleja que en otros tipos de hornos (control permanente de

presión del horno y el ritmo de avance de calor entre cámaras), cierta limitaciones en los productos, requema

en la solera y falta de quema en la bóveda.


En el caso del cambio de un horno caipira (horno abierto de paredes fijas) a un horno Móvil con un factor de

emisión de 170 g CO2/kg ladrillo cocido (Swisscontact, INT, 2015); la reducción de emisiones de CO2 es de

alrededor de 55% por unidad producida, estimándose una potencial reducción de 4196,7 t CO2 al año por cada

horno Móvil10

instalado que reemplaza la producción en horno caipira. En el caso del cambio de un horno

colmena a un horno Móvil, la reducción de emisiones de CO2 es de alrededor de 48% estimándose una

potencial reducción de 3268,80 tCO2 al año por cada horno Móvil instalado que reemplaza la producción en

horno colmena.


10

Considerando un nivel de producción anual por horno de 9.000 millares/año (20.430 t de cerámicos/año) (Swisscontact, INT, 2015)

7 Resumen comparativo

En la tabla a continuación se resumen las características básicas de los hornos evaluados. Cabe señalar que no

hay una única opción para el “mejor” horno, depende de la capacidad de producción de la empresa y de poder

lidiar con las complejidades en la operación, y sobretodo, tener en cuenta los aspectos económicos y

financieros comentados a lo largo de este informe para que la inversión sea viable y rentable.

Tabla 7: Resumen de las características técnicas de los hornos

Horno

Capacidad de producción

Consumo Específico de

Energía*

Calidad de producto producido

Nivel de inversión promedio

Complejidad en la operación Baja: <15mil,

Media: 20-100mil Alta: >100mil

MJ/kg producto Productos 1ra calidad: Baja: <80%, Media: 80-

90%, Alta: >90%

Bajo: <US$15mil, Medio: US$16-150mil,

Alto: >US$150mil

Horno de tiro invertido (Perú/Ecuador)

Baja 2,80 – 3,50 mediana Bajo Baja

Colmena/ Abóbada

Media 2,31 - 3,71 mediana Medio Baja

Cámaras continuas

Media 1,75 – 2,67 Media/alta Medio Media

Cedan Alta 1,71 – 2,28 Alta Alto Alta

Móvil Alta 1,66 – 2,17 Alta Alto Media

Adicionalmente a los aspectos operativos y económicos, se ha estimado el potencial de reducción de emisiones

de cada tecnología, en la tabla a continuación se resume esta información con fines comparativos;

observándose que el horno Cedan y Móvil son los que mayor potencial de reducción de emisiones tiene en

términos de toneladas de CO2, ambos tipos de hornos cuentan también con buenos indicadores de producción

(alta eficiencia energética, alta capacidad de producción y una alta proporción de producto de primera calidad),

pero espacialmente el horno móvil cuenta además con indicadores positivos de rentabilidad y una operación

menos compleja que otros tipos de hornos.

Tabla 8: Resumen del potencial de mitigación

Horno

Cambio tecnológico CO2 Carbón Negro

Horno previo a partir del cual se realizaría el cambio tecnológico

t/año evitadas por horno convertido

t/año evitadas por horno convertido

Horno de tiro invertido (Perú/Ecuador)

Horno campaña 40.7 0.08

Colmena/ Abóbada Horno campaña 941.7 0.5

Horno de paredes fijas (o caipira) 406.7 0.2

Cámaras continuas Colmena 331.4 ND

Cedan Horno de paredes fijas (o caipira) 2965.9 ND

Colmena 2287.0 ND

Móvil Horno de paredes fijas (o caipira) 4196.7 ND

Colmena 3268.8 ND

Nota: Para la estimación del potencial de mitigación se consideran las emisiones que se dejan de emitir (evitadas) al diferencial de emisiones si es que el ladrillo producido en el horno priorizado se hubiera producido en un horno más rudimentario (tecnología previa)

Bibliografía

Corporación Ambiental Empresarial (CAEM). Programa de Eficiencia Energética en Ladrilleras (EELA -

Colombia). Evaluación de emisiones atmosféricas horno Cámaras Continuas, ladrillera el santuario,

Nemocón Cundinamarca. 2014.

Programa EELA. Caso de éxito 2012: proyecto de reconversión horno colmena. Colombia. 2012.

Programa EELA. Plan Económico Financiero de Alternativa Tecnológica para el Sector Ladrillero

(PEFAT) en Seridó, Brasil. Enero, 2014a.

Programa EELA. Manual de hornos eficientes para la industria de Cerámica Roja. Rio de Janeiro, Brasil.

Noviembre, 2014b.


(PEFAT) en Cuenca, Ecuador. Diciembre, 2014c.


(PEFAT) en Nemocón, Colombia. Diciembre, 2015.

Swisscontact, Swiss Agency for Development and Cooperation (SDC), National Institute of Technology

in Brazil (INT). Factsheets about brick/tiles kiln technologies in Latin America. Marzo, 2015.

Weyant, Cheryl; Athalye, Vasudev; Ragavan, Santosh; Rajarathnam, Uma; Lalchandani, Dheeraj;

Maithel, Sameer; Baum, Ellen; Bond, Tami C. Emissions from South Asian Brick Production. Environ.

Sci.Technol. (48), 6477-6483. 2014.

Anexos

A.1 Factsheets de hornos para la producción ladrillera

1

Bolivia

Chile

Argentina

Uruguay

Paraguay

Brasil

Surinán

Guyana

Venezuela

Colombia

Ecuador

Guyana Francesa

INTRODUCTION AND HISTORY

TYpe Of KIlN CHARACTeRISTICS Of eNTeRpRISeS USINg THIS TeCHNOlOgY:

geOgRApHICAl DISTRIbUTION:

1 Dome/CirCular Kiln (ascendant flame / downdraft)

fACTSHeeT AbOUT bRICK/TIleS KIlN TeCHNOlOgIeS IN lATIN AMeRICA

This kiln has a circular shape and is a technology widely disseminated across all regions in Brazil, Colombia and Peru. The principle of the operation consists in an ascendant flame that elevates the temperature into the kiln, then the heating moves from the roof to the floor of the kiln aided by a down draft.

The combustion starts at the lateral zones of the kiln (04 or 06 burners located equidistantly), at the beginning of the burning process the gases produced by the combustion move towards the roof of the dome, then the heat goes down through the bricks and finally through the small apertures at the floor.

The flue gases leave the kiln through an underground duct and go to the chimney.

The draft can be natural or forced. The fuels commonly used are logs, branches and pieces of wood.

kiln

Intermittant

Nature of Organisation Level ofmechanisation

Type of bricks/ tiles produced

Annual production capacityof the enterprise

Operational period

Industrial Semi-mechanisedHollow/perforated

bricks - Tiles > 5 million bricks (medium scale) Round the year

eSTIMATeD N° Of OpeRATIONAl eNTeRpRISeS AND TOTAl pRODUCTION (USINg DOMe KIlN)

Country N° of enterprises Total production(million bricks/tiles/year)

Brazil ~ 1,750 ~ 10.300

Colombia ~ 349 ~ 209

Peru ~10 ~10

Perú

2

DeSCRIpTION & WORKINg:


Dome Kiln dimensions are: 5 - 10 meters of diameter and 2.8 - 3.2 meters of height.

The heating produced during the combustion process rise towards the

roof of the kiln.

door for loading / unloading floor

ashtray

combustion gases

dome ceiling

furnace

heat / gas flow

1Once on the roof the gases change

direction and move down through the bricks or tiles.

2Then the gases leave the kiln

through small openings on the floor.

3

Finally the gases (fumes) move toward the chimney through an underground duct; this process can be natural or forced by an

exhaust.

4

The complete production cycle in the kiln is long: 06 - 08 hours for preheating, 36 - 48 hours for firing process and up to 03 days for cooling process; these periods depend on the type of product, raw material, type of burning process and fuel used.

The operation temperature range from 750 to 930°C, the temperature at the roof is slightly higher compared with the rest of the kiln; i.e. the temperature is slightly lower at the zone near the floor where the gases duct is located.


3

AIR eMISSIONS AND IMpACTS:

MeASUReD eMISSION fACTORS 1

COMMONlY USeD fUelS

MeASUReD pM eMISSION (mg/Nm3)Average: 44,6 (with air/fuel injection) 243,7 (without fuel injection)

eMISSION STANDARDS

Emission standards are notified only for PM emissions

COMMeNTS ON eMISSIONS

The values of emission standards for fixed sources depend on the thermal power rating (MW).

This kiln produces low emissions of soot (particulate matter) because the structure acts as a filter; i.e. the particulate matter is retained in the structure of the kiln and the load of bricks.

fUel AND eNeRgY: fINANCIAl peRfORMANCe: pRODUCT QUAlITY: OCCUpATIONAl HeAlTH AND SAfeTY (OHS):


(in g/kg fired bricks)

CO2

black Carbon

(bC)

particulate Matter

(pM)CO

330(313-360)

Not available

Not available

Not available

Country pM (mg/Nm3)

Brazil 730 (< 10 MW)520 (between 10 and 30 MW)

Colombia250 (NOx: 550,SOx: 550)50 (NOx: 500,SOx: 500) for new enterprises

biomass(e.g. - firewood, biomass briquettes, sawdust).

SpeCIfIC eNeRgY CONSUMp-TION2 (SeC) (measured at firing temperature of 900-1100 0C)

Average: 3,50 MJ/kg fired bricks or tiles(Range: 2,5 – 3,7 MJ/kg fired brick or tile)

COMpARISON WITH OTHeR KIlN TeCHNOlOgIeS

Dome Kiln reports a usual SEC for intermittent kilns (SEC: 2 to 4 MJ/kg fired brick); a positive aspect is the possibility to recover the heat of the kiln, once the combustion process is concluded, for drying green bricks in a conditioned space.

DeSCRIpTION ON eNeRgY CONSUMpTION AND MAIN CAUSeS Of HeAT lOSS

Incomplete combustion of wood and heat losses from exhaust gases in the stack. Heavy structure could absorbs part of the energy.

Capital Cost breakdown

Capital Cost of the kiln technology

(for annual production capacity of 3 – 5 million bricks or tiles) (excluding land and working capital cost)

30.000 to 50.000 USD *

Material Cost 70%

Labour Cost 28%

Equipment Cost 2%

Total 100%

Production Capacity

25,000 to 110,000 bricks/tiles per weekMain brick size: 180 x 180 x 85 mmMain tile size: 490 x 130 mm

No of Operators required

8-10

Payback Period

Simple Payback 0.5 – 2.0 years

Discounted Payback (@ 6.5%) 0.7 – 3 years

product quality:(As per the local market perception)

gOOD - 70%

INfeRIOR - 25%

lOSSeS AND bReAKAgeS - 5%

gOOD bRICK

INfeRIOR bRICKUnder-fired and over-burnt

Description on product quality

Non-uniform temperature across the vertical section of the kiln results in under-fired bricks/tiles at the floor zone and hence differences in the product quality.

Types of product that can be fired in the kiln

Solid bricks

Hollow/ Perforated bricks

Roof Tiles

Others

exposure to Respirable Suspended particulate Matter3

Flue gases exhausted from the chimney and unpaved surfaces around cause a very high concentration of soot and dust in the surrounding environment and the workers are exposed to high concentration of suspended particulate matter

This can result in a few cases of respiratory diseases among workers.

exposure to Thermal Stress 4

Workers responsible of discharging products and fuel supply are exposed directly to heat and some radiation

This can result in dehydration among workers

Risk of accidentsDanger of burning during the firing or discharging

Risk of injuries


Coal (dust)

Compliance with IlO standards and remarks on migratory labour and conditions of labour: Practices followed at Dome/circular kiln enterprises do not comply with the International Labour Standards on occupational health and safety drawn up by ILO. Workers are usually exposed to thermal stress and emissions.

No migratory labour issues have been identified.

6

5

4

3

2

1

0

MJ/kg fired bricks

Tunnel6 Dome Intermitent(campaña)7

(2,50 - 3,70)

minimum (1,34-1,77)

maximum (3,85 - 5,35)

* without fuel feeder.

4

CONClUSION & RefeReNCeS:


Conclusion:

parameters Dome kiln Comments

AIR eMISSION (g/Kg fIReD bRICK)

CO2 330

Incomplete combustion in Dome Kiln results in high value of emissions. The average value of PM emission lie within the notified limit, however, some of the kilns could emit higher PM.

black Carbon NA

pM NA

CO NA

fUel & eNeRgY SeC (MJ/kg fired brick) 3,50 Incomplete combustion and heat losses result in increase in the fuel consumption

in Dome Kiln.

fINANCIAl peRfORMANCe

Capital Cost (USD) 30.000 to 50.000Low capital investment and high return are one of the main reasons of the popularity of the Dome Kiln.

production Capacity 3-8 million bricks/year

Simple payback 0,6 – 1,7 years

pRODUCT QUAlITYTypes of product All types of product Non-uniform temperature distribution in the cross-section of the kiln results in

variation in product quality.good Quality product 60-80%

OHS

exposure to dust yes

Dome Kiln operators work under exposition to high heatexposure to Thermal stress yes

Risk of accidents yes

fOR MORe INfORMATION:

RefeReNCeS:References are provided as `Endnotes´(1)Report on ‘Brick Kiln Performance Assessment’ available athttp://www.unep.org/ccac/Portals/24183/docs/Brick_Kilns_Performance_Assessment.pdf(2)Ibid.(3)Field observation.(4)Ibid.(5)By its initials in Portuguese(6)Tunnel Kiln: EELA. Manual de hornos eficientes para la industria de cerámica roja. Feb, 2015. / Greentech, SDC. Factsheets about brick kilns in South and South-East Asia. Dec, 2013.(7)Intermitent (campaña): EELA. Diagnóstico inicial del sector ladrillero, Región del Seridó en el Nordeste de Brasil. Marzo, 2011


ACKNOWleDgeMeNT:The project team would like to acknowledge the financial support received from the Swiss Agency for Development and Cooperation for the preparation of these fact-sheets.

Note:In the initial stage of this initiative of developing factsheet on brick kiln technologies, factsheet are developed for South and South-East Asia and Latin America regions. Factsheet on brick kiln technologies of other regions will be developed over time.

factsheet prepared by:National Institute of Technology – INT5 , Rio de Janeiro, Brazil(Dr Mauricio Henriques Jr.)Swisscontact, Lima, Peru(EELA Program staff members)

Design & Illustration:Luis Enrique Caycho Gutiérrez

CONTACT

National Institute of TechnologyRio de Janeiro, brazilTelephone: +55 21 21231256E-mail: [email protected]: www.int.gov.br

Swisscontactlima, peruTelephone: +51 1 2641707E-mail: [email protected]: www.redladrilleras.net

1




2 Cedan Kiln (semi-continuous)


This kiln is an alternative version of the traditional Hoffman model and consists in a set of chambers (usually twelve to sixteen chambers) built in pairs to facilitate the flue gases transfer.The heat produced in a chamber is deflected to the dome (roof ), then the hot gases move

down heating the bricks and leave the chamber through the openings on the floor, move across the openings in the floor and to the next chamber through holes at the bottom zone in the fixed walls which are connected to the next chamber, producing a preheating of this chamber.

This kiln produces homogeneous products due to the constant temperature of the heat that moves from one chamber to another, with a low level of losses.The draft can be natural or forced. The fuels commonly used are logs, branches and pieces of wood.

kiln

Semi-ContinuousMoving Fire




Operational period

Industrial Semi-mechanisedHollow/perforated

bricks - Tiles > 1 & < 10 million bricks (medium scale)

Round the year

eSTIMATeD N° Of OpeRATIONAl eNTeRpRISeS AND TOTAl pRODUCTION (USINg CeDAN KIlN)

Country N° of enterprises Total production(billion bricks/tiles/year)

Brazil ~ 150 ~ 1.5

Bolivia

Chile

Argentina

Uruguay

Paraguay

Brasil

Surinán

Guyana

Venezuela

Colombia

Ecuador

Guyana Francesa

Perú

2


2 Cedan Kiln (semi-continuous)

The process starts with the burning of the first chamber

The hot gases are conducted through

the duct to the stack.

The process is repeated from one chamber to the nextThe whole cycle takes between 55 to 65 hours, reaching temperatures in the range of 800 to 930°C. The burning takes 16 hours.

Hot gases produced by the burning process in the

chamber moves to the next chambers, where the green

products are preheated

1

3

2

Cedan Kiln is a semi continuous moving fire model in which the heat moves forward in the direction of air flow due to the draught provided by a chimney. This kiln has a rectangular shape and dimensions are: 25 to 30 meters in the front for 12 chambers (06 on each side), sidewall around 08 meters (covering two chambers) and height between 2,8 to 3,0 meters.

Coolingchamber

Domeceiling

Door for loading the

material

Floor with openings

Hot gasesHot gases

Duct for gases

Openings for fuel feeding

Firing chamber

flue gases to the chimney

Pre heating chambers


3



COMMONlY USeD fUelS

MeASUReD pM eMISSION

Average: Not available

eMISSION STANDARDS




2


CO2

black Carbon

(bC)

particulate Matter

(pM)CO

175(165-195)

Not available

Not available

Not available

Country pM (mg/Nm3)


The values of the emission standards of fixed sources depend on the thermal power rating (MW) of the sources (kilns).

Soot emissions are very low because the internal design of the kiln that acts like a filter. Even though the kiln can use a continuous biomass feeding process (sawdust or chopped firewood) reducing or eliminating the soot completely.

biomassBiomass (e.g. firewood, biomass briquettes, sawdust).

SpeCIfIC eNeRgY CONSUMpTION2 (SeC) (measured at firing temperature of 900-1100 0C)

Average: 1,85 MJ/kg fired bricks or tiles(Range: 1,75 – 1,95 MJ/kg fired/brick or tile)


Cedan Kiln reports a SEC value under the range for traditional kilns (SEC – 2 to 4 MJ/kg fired brick), but the value is slightly above compared to the reported SEC values for continuous kilns (tunnel model).


The fuel consumption is low and there is : is low PM in the flue gas.



(for annual production capacity of 4-9 million bricks)(excluding land and working capital cost)

200.000 to 260.000 USD (depending of the number of chambers)

Capital Cost Break-up

Material Cost 65%

Labour Cost 33%

Equipment Cost 2%

Total 100%

Production Capacity

200,000 bricks or tiles per weekMain brick size: 180 x 180 x 85 mmMain tile size: 490 x 130 mm


6-8

Payback Period

Simple Payback 2,5 – 3,5 years

Discounted Payback (@ 6.5%) 2,7 – 3,8 years

product quality:

(As per the local market perception)

gOOD 75 - 85%

INfeRIOR 15 - 25%

lOSSeS AND bReAKAgeS < 1%

gOOD bRICK


Description on product qualityHomogenous and very high quality.


Solid bricks


Roof Tiles

Others

exposure to Respirable Suspended particulate Matter3 Description about the exposure: some dust in the surrounding environment. Workers are exposed to high concentration of suspended particulate matter

Impacts: This can result in a few cases of respiratory diseases among workers


Description about the exposure: The workers that are engaged in kiln activities (discharging products and fueling) are exposed directly to heat and some radiation

Impacts: This can result in dehydration among workers

Risk of accidentsDescription about the exposure: danger of falling off during the bricks assembly in the kiln and/or burn

Impacts: Risk of injuries

Cedan Kiln (semi-continuous)


Compliance with IlO standards and remarks on migratory labour and conditions of labour: Practices followed at CEDAN kiln enterprises do not comply with the International Labour Standards on occupational health and safety drawn up by ILO, majority of the workers are usually exposed to thermal stress and significant risk of accidents.


6

5

4

3

2

1

0

MJ/kg fired bricks

Tunnel6 Cedan Intermitent(campaña)7

(1,75 - 1,95)

minimum (1,34-1,77)

maximum (3,85 - 5,35)

4





CONTACT



2

Conclusion:

parameters Cedan Kiln Comments


CO2 175

Cedan Kiln is a good technological option for batch production.black Carbon NA

pM NA

CO NA

fUel & eNeRgY SeC (MJ/kg fired brick) 1,85 Energy performance is good in this kiln.


Capital Cost (USD) 200.000-260.000

High capital cost is one of the difficulties.production Capacity 7-8 million bricks or tiles / year


pRODUCT QUAlITYTypes of product All types of product Non-uniform temperature distribution across the kiln (cross-section) can

result in variation in product quality.good Quality product 80%

OHS


Cedan Kiln has some poor OHS conditions, mainly related to work exposition to heat during discharching products.

exposure to Thermal stress yes



RefeReNCeS:References are provided as `Endnotes´(1)Report on ‘Brick Kiln Performance Assessment’ available athttp://www.unep.org/ccac/Portals/24183/docs/Brick_Kilns_Performance_Assessment.pdf(2)Ibid.(3) Field observation.(4)Ibid.(5)By its initials in Portuguese(6)Tunnel Kiln: EELA. Manual de hornos eficientes para la industria de cerámica roja. Feb, 2015. / Greentech, SDC. Factsheets about brick kilns in South and South-East Asia. Dec, 2013.(7)Intermitent (campaña): EELA. Diagnóstico inicial del sector ladrillero, Región del Seridó en el Nordeste de Brasil. Marzo, 2011

Cedan Kiln (semi-continuous)



1




3 Mobile Kiln

Mobile Kiln is a model in which the entire structure of the kiln can be moved using a rail system and stacked over the green bricks previously loaded for burning. The burners are coupled along the side of the kiln.

The structure of this kiln is very light tweight, because it only uses ceramic fiber and steel layers.As fuel can be use biomass, gas or oil. Firewood usually employed can be chopped,

briquettes and sawdust.




Operational period

Industrial MechanisedHollow/perforated

bricks - Tiles> 10 million bricks

(medium to large scale) Round the year

eSTIMATeD N° Of OpeRATIONAl eNTeRpRISeS AND TOTAl pRODUCTION (USINg MObIle KIlN)


Brazil ~ 100 ~ 1.0

Peru 3 NA*

Bolivia 2 NA*

Paraguay 5 NA*

Bolivia

Chile

Argentina

Uruguay

Paraguay

Brasil

Surinán

Guyana

Venezuela

Colombia

Ecuador

Guyana Francesa

Perú

kiln

Intermittant


* N.A.: Not available

2


3 Mobile Kiln

• TheMobileKilnhas a rectangular shapeand itsdimensions canbequite variable,withwidthranging from 3.4 to 9.4 m and length from 15m to 30m.

• IntheMobileKilnthebrickloadingisstackedandthestructureofthekilnmovesalongtherailson the floor with the support of pushers/handles.

1

• Thefiringcycletendstobeshortercomparedwiththetraditionalkilns, due to its lighter structure that absorbs less heat, and saves time in charging and discharging of materials.

• The structure is made basically of metal and insulated withceramic fiber.

• Theoutputofthecombustiongasesoccursinthecentralduct,at

the bottom under the floor, and then continues to the chimney.

The burning takes 24 hours

After burning, cooling starts and the kiln is moved out to the

next batch.

Batch of bricks is stacked on the floor

and the batch is moved toward to it.

1

2 3

Metallic lift door

Gate to close duct

Duct underground for gas exit

Rail

RollersBurners (may be on both

sides)

Load

Rail

Metallic structure

TOP VIEW

KILN

Metallic door (to supply fuel)

Bricks ready for selling

2

3


Load of bricks to be burned

3



COMMONlY USeD fUelS



eMISSION STANDARDS



The values of the emission standards of fixed sources depend on the thermal power rating (MW) of the sources (kilns).

This type of kiln usually produces low emissions of soot (particulate matter) due to the continuous fuel feed system and a better adjusting of the relation air/fuel.


3


CO2

black Carbon

(bC)

particulate Matter

(pM)CO

170(estimated)

Not available

Not available

Not available

Country pM (mg/Nm3)


biomassBiomass (eg. biomass briquettes, sawdust).


Average: 1,80 MJ/kg fired bricks/tiles (estimated)


Mobile Kiln reports a SEC value under the range for traditional kilns (SEC – 2 to 4 MJ/kg fired brick), mainly because of the firing cycles are shorter and the lightweight and low density properties of the kiln, reducing the needs to heat the klin itself.


Heat losses in the flue gas.



(for annual production capacity of 6 – 12 million bricks)(excluding land and working capital cost)

70.000 to 400.000 USD


Material Cost 60%

Labour Cost 30%

Equipment Cost 10%

Total 100%

Production Capacity

150,000 to 250,000 bricks/tiles per week Main brick size: 180 x 180 x 85 mm Main tile size: 490 x 130 mm


6

Payback Period

Simple Payback 3.5 - 4.5 years

Discounted Payback (@ 6.5%) 3.8 – 5.0 years


gOOD 90%

INfeRIOR 9%lOSSeS AND bReAKAgeS 1%

gOOD bRICK


Description on product qualityGood quality product is expected.


Solid bricks


Roof Tiles

Others


Description about the exposure: low level of dust in the surrounding area.


Description about the exposure: burner operators are exposed directly to heat and some radiation.

Risk of accidentsDescription about the exposure: danger of falling off during the bricks assembly in the kiln.

Mobile Kiln

No exposure risk has been identified.

No exposure risk has been identified.

No risk has been identified.


Compliance with IlO standards and remarks on migratory labour and conditions of labour: Practices followed at mobile kiln enterprises tend to comply with the International Labour Standards on occupational health and safety drawn up by ILO. Because of mechanisation of the processes, the working conditions of workers are relatively better with less exposure to emissions, minimal exposure to thermal stress and reduced risk of accidents. No migratory labour issues have been identified.

6

5

4

3

2

1

0

MJ/kg fired bricks

Tunnel6 Mobile Intermitent(campaña)7

(1,80)

minimum (1,34-1,77)

maximum (3,85 - 5,35)

4


3

Conclusion:

parameters Mobile Kiln Comments


CO2 170 (estimated)

Low atmospheric emissions. black Carbon NA

pM NA

CO NA

fUel & eNeRgY SeC (MJ/kg fired brick) 1,80 Low fuel consumption in Mobile Kiln.


Capital Cost (USD) 70.000 to 400.000

High capital investment and high return of investment. production Capacity 6-24 million bricks/year


pRODUCT QUAlITYTypes of product All types of product

Uniform temperature distribution across the kiln cross-section. good Quality product >90%

OHS

exposure to dust minimal

Mobile Kiln has good OHS conditions, mainly related to work exposition and emissions gases.

exposure to Thermal stress minimal

Risk of accidents minimal



Mobile Kiln






CONTACT



1

INTRODUCCTION AND HISTORY



4 Paulistinha Kiln

This model basically consists of pairs of rectangular chambers with walls and dome roof constructed with conventional bricks. The door for loading and unloading material is located in the lateral wall.The internal floor of the chambers is constructed of bricks leaving openings between the pieces which are connected to the chimney a through underground ducts.

Paulistinha Kiln has burners (four or six) at the lateral walls, generally constructed in pairs; moving the fire from the floor to the roof and then the heat moves down burning the bricks and the flue gases are conducted to the duct stacked at the floor of the rear wall of the kiln and then moved to the chimney.The fuels commonly used are logs, branches and pieces of wood.

This kiln presents a slight deficiency related to the heat distribution, that determines hot and cold spots in certain zones and, consequently, different quality products; however, it is a widely disseminated model in all Brazilian regions due to the low construction cost.




Operational period

Industrial Semi-mechanised Hollow/perforatedbricks - Tiles

> 1 & < 10 million bricks (medium scale) Round the year

eSTIMATeD N° Of OpeRATIONAl eNTeRpRISeS AND TOTAl pRODUCTION (USINg pAUlISTINHA KIlN)


Brazil ~ 1,100 ~ 6,2

Bolivia

Chile

Argentina

Uruguay

Paraguay

Brasil

Surinán

Guyana

Venezuela

Colombia

Ecuador

Guyana Francesa

Perú

kiln

Intermittant


2


4 Paulistinha Kiln

The fuel combustion is produced in the lateral zone of the kiln

1

The hot gases produced by the burning process are used to burn

the bricks and tiles loaded.

2The gases leave the kiln through the rear wall through – openings

near the floor.

3

Near the floor of the rear wall, flue gases duct moves the gases to the chimney.

4 1

3 2

4

The firing cycle is longer, the preheat period delays from 06 to 08 hours, the burning process takes 36 to 48 hours and cooling process can take place within 3 days; the time depends on the type of product, the raw material and the type of fuel used and the burning process. The operating temperature is between 800 to 930°C, although the kiln presents hotter zones close to the roof and cold spots close to the floor and at the intersection of the walls.

In Paulistinha Kiln the hot gases from the burning fuel are first deflected to the roof and then are drawn downwards by the chimney draught through the green bricks to fire them.

This kiln has a rectangular shape and dimensions are: 10-15 meters longer length, sidewall around 4-5 meters and height around 2.8 meters.

door for loading theceramic pieces.

chimney

exhaust to chimney

Burners


3



COMMONlY USeD fUelS



eMISSION STANDARDS

Emission standards are notified only for PM emission


Its values of the emission standards of fixed sources depend on the thermal power rating (MW) of the sources (kilns).

This kiln usually produces soot (particulate matter) mainly during the intermittent firewood feeding process, when the kiln is fed with the wood occurs lack of the combustion air, which causes an increasing of the emissions soot. After 10 to 15 minutes the ratio of air/fuel stabilizes and emissions are reduced until the next feeding process.


4


CO2

black Carbon

(bC)

particulate Matter

(pM)CO

380(360-400)

Not available

Not available

Not available

Country pM (mg/Nm3)


biomassBiomass (eg. - firewood, biomass briquettes, sawdust).


Average: 4,0 MJ/kg fired bricks/tiles (Range: 3,8 – 4,7 MJ/kg fired/brick or tile)


Paulistinha Kiln presents a slightly higher SEC value compared with other intermittent kilns (SEC – 2 to 4 MJ/kg fired brick) due mainly to its structure.


Incomplete combustion of wood, heat losses in the exhaust gases and intermittent cycle (batch cycle).


Capital Cost of the kiln technology (for annual production capacity of 3 – 5 million bricks)(excluding land and working capital cost)

28.000 to 46.000 USD


Material Cost 70%

Labour Cost 28%

Equipment Cost 2%

Total 100%

Production Capacity

50.000 to 75.000 bricks / tiles per week Main brick size: 180 x 180 x 85 mm Main tile size: 490 x 130 mm


8-10

Payback Period




gOOD 50-70%

INfeRIOR 25-40%

lOSSeS AND bReAKAgeS 5-8%

gOOD bRICK


Description on product qualityNon-uniform temperature across the horizontal-section of the kiln results in under-fired bricks/tiles at the rear zone and hence differences in the product quality.


Solid bricks


Roof Tiles

Others

exposure to Respirable Suspended particulate Matter3 Description about the exposure: Flue gases exhausted from the chimney cause a very high concentration of dust in the surrounding environment and the workers are exposed to high concentration of a suspended particulate matter.

Impacts: This can result in a few cases of respiratory diseases among workers.


Description about the exposure: The workers that are engaged in kiln activities (discharging products and fueling) are exposed directly to heat and some radiation.

Impacts: This can result in dehydration among workers.

Risk of accidentsDanger of burning during firing or discharging.

Impacts: Risk of injuries.

Paulistinha Kiln


Practices followed at Paulistinha kiln enterprises do not comply with the International Labour Standards on occupational health and safety drawn up by ILO, majority of the workers are usually exposed to emissions and thermal stress.


6

5

4

3

2

1

0

MJ/kg fired bricks

Tunnel6 Paulistinha Intermitent(campaña)7

(3,80 - 4,70)

minimum (1,34-1,77)

maximum (3,85 - 5,35)

4


4

Conclusion:

parameters paulistinha Kiln Comments


CO2 380

Incomplete combustion in kiln results in high value of emissions, mainly after wood feeding.

black Carbon NA

pM NA

CO NA

fUel & eNeRgY SeC (MJ/kg fired brick) 4,0 Incomplete combustion and heat losses result in increase in the fuel

consumption in Paulistinha Kiln.


Capital Cost (USD) 28.000-48.000Low capital investment and high return is one of the main reasons for popularity of Paulistinha technology.

production Capacity 3-8 million bricks/year


pRODUCT QUAlITYTypes of product All types of product Non-uniform temperature distribution across the kiln cross-section results in

variation in product quality. good Quality product 60 %

OHS


Paulistinha Kiln complies partially OHS conditions.exposure to Thermal stress yes




Paulistinha Kiln






CONTACT



1




5 Multi ChaMbers Kiln

This model was adapted to the local context with good results. The operationally principle is very similar to the Hoffman kiln, the only difference is the fuel consumption that is slightly higher due to the large mass of the kiln1.

One of the advantages is the possibility to produce different products (in each chamber) with a superior and uniform quality since the product is not direct contact with the flame . In Colombia the kiln usualy is operated with coal.

kiln

Continuous




Operational period

Industrial Semi-mechanisedSolid bricks

Hollow/perforatedbricks

> 1 & < 10 million bricks (medium scale)

Round the year

eSTIMATeD N° Of OpeRATIONAl eNTeRpRISeS AND TOTAl pRODUCTION (USINg MUlTICHAMbeR KIlN)

Country N° of enterprises Total production(million bricks or tiles year)

Colombia 12 ~ 26,07

Bolivia

Chile

Argentina

Uruguay

Paraguay

Brasil

Surinán

Guyana

Venezuela

Colombia

Ecuador

Guyana Francesa

Perú

Front view of the kiln


2


5 Multi ChaMbers Kiln

• Multi Chambers Kiln brings the possibility to use the heating energy in the interconnected chambers; this kiln also permits to recover the heat from the chamber to dry the green bricks, reducing the drying period. The recovery of the heat is made with a specially designed duct and a forced draught that drives the air through the chambers containing the bricks burned, the process takes place during the cooling stage.

• Cooling. This process can take between 6 to 12 hours per chamber supported with cooling fans until it reaches a temperature close to room temperature.

• The complete production cycle of the kiln is long and depends on the number of chambers, type of product, raw material and quality of fuel used.

Ignition and preheat. Begins at the first chamber, passing the residual heat of the combustion gases go to the adjacent chamber to preheat and complete the drying of the green bricks.

1Fuel dosage. Each chamber has a sluice for the combustion, during this process the fuel supply is made on the top of the kiln using dosing equipment with supply hoses.

2

The third chamber will use the residual heat of the second chamber, and so on until complete the series of chambers.

4Firing of the bricks. When the first chamber reaches a temperature of 950 - 1050⁰C, the second chamber will be at 300 - 450⁰C, temperature to start the combustion on this chamber.

3

2

3 4

1

Extractor Fan


3



COMMONlY USeD fUelS


Average: 76,7 mg/Nm3

eMISSION STANDARDS



Air infiltration on the lateral areas could increase of the percentage of oxygen; in this case the emissions will not meet the national standards. It is recommended to use refractory material on the domes of the chamber in order to improve the conditions of the heat flux into the combustion zone.This kiln produces low emissions of soot (particulate matter).


5


CO2

black Carbon

(bC)

particulate Matter

(pM)CO

257(212 – 302)

Not available

Not available

Not available

Country pM (mg/Nm3)

Colombia 250 mg/Nm3

biomass


Average: 2,37 MJ/kg fired bricks or tiles


Multi Chambers Kiln reports a usual SEC for intermittent kilns (SEC – 2 to 4 MJ/kg fired brick); these kilns operated semi continuously and more efficiently than the intermittent kilns.


Thermal losses could occur in the cracks on the doors and lateral walls of the kiln.



(for annual production capacity of 1 - 3 million bricks)(excluding land and working capital cost)

100.000 - 170.000 USD

Capital Cost Breakdown

Material Cost 50%

Labour Cost 40%

Equipment Cost 10%

Total 100%

Production Capacity

120,000 bricks/tiles per monthMain brick size: 300 x 200 x 100 mm


3-5

Payback Period


Discounted Payback (@ 6.5%) 1 – 3 years


gOOD 80%

INfeRIOR 15%

lOSSeS AND bReAKAgeS 5%

gOOD bRICK


Description on product qualityNon-uniform temperature across the vertical section of the kiln results in under-fired bricks/tiles at the bottom zone and hence differences in the quality of the products.


Solid bricks


Roof Tiles

Others


Flue gases exhausted from the chimmey or cracks on the walls unpaved surfaces around cause concentration of soot and dust in the surrounding environment and the workers are exposed to concentration of suspended particulate matter.



Workers responsible of discharging products and fuel supply are exposed directly to heat and some radiation.

This can result in dehydration among workers.

Risk of accidentsDanger of fall down during fuel supply on the top of the kiln.Electric shock by operating the equipment.

Risk of injuries.

Multi ChaMbers Kiln

Practices followed at Multichambers kiln enterprises do not comply with the International Labour Standards on occupational health and safety drawn up by ILO, majority of the workers are usually exposed to thermal stress and emissions from the chimney. Significant risk of accidents during fuel supply on the roof of the kiln. No migratory labour issues have been identified.

6

5

4

3

2

1

0

MJ/kg fired bricks

Tunnel8 Multichambers Intermitent(campaña)9

(2,37)

minimum (1,34-1,77)

maximum (3,85 - 5,35)


Mineral coal

4



factsheet prepared by:Business Environmental Corporation – CAEM , Bogota, Colombia(CAEM Colombia staff members for EELA Project)Swisscontact, Lima, Peru(EELA Program staff members)


CONTACT


5

Conclusion:

parameters fCbTK Comments


CO2 257

The average value of PM emissions is within the notified limit (Colombian Norms)

black Carbon NA

pM NA

CO NA

fUel & eNeRgY SeC (MJ/kg fired brick) 2,37 The value can be reduced when the kiln is operated continuously


Capital Cost (USD) 170.000Is a model for producers with a capacity of 2 – 5 ton/hour, is an interesting alternative due to the short recovery period for the investment and the option to add more chambers. The production can be increased in 15-25%.

production Capacity 600 ton bricks/month

Simple payback 0,5 – 2 years

pRODUCT QUAlITYTypes of product Solids, hollow and perforate

bricks and tiles. The bricks produced meet the requirements established in the Colombian Technical Norm for construction products.

good Quality product 80%

OHS

exposure to dust yesThis model of kiln improves labor conditions compared with other intermittent technologies; the risk of accidents is reduced in 50% due to its ease of operation




RefeReNCeS:References are provided as `Endnotes´(1) CAEM 2011, Technical report of appropriate technologies for the reconversion of the artisan brick sector(2) Report on ‘Brick Kiln Performance Assessment’ available at http://www.unep.org/ccac/Portals/24183/docs/Brick_Kilns_Performance_Assessment.pdf(3) CAEM 2014, Evaluation of the multi chamber kiln emissions in El Santuario Factory, Nemocón – Cundinamarca(4) Ibid.(5) Field observation.(6) Ibid.(7) By its initials in Spanish(8)Tunnel Kiln: EELA. Manual de hornos eficientes para la industria de cerámica roja. Feb, 2015. / Greentech, SDC. Factsheets about brick kilns in South and South-East Asia. Dec, 2013.(9)Intermitent (campaña): EELA. Diagnóstico inicial del sector ladrillero, Región del Seridó en el Nordeste de Brasil. Marzo, 2011

Multi ChaMbers Kiln


business environmental Corporationbogota, ColombiaTelephone: + 571 3830300Web: http://www.corporacionambientalempresarial.org.co/


1

INTRODUCCTION AND HISTORY



6 ZigZag Kiln

One of the most recognized alternative model of the Hoffman Kiln is the zigzag model1 or Bührer Kiln, a semi continuous and moving fire kiln consisting on 10 to 30 chambers; one of the more relevant characteristics of the Zigzag Kiln is the segmented displacement of the fire from one chamber to the next, chambers are parallel and the length of the two side walls is larger than the central walls cut and separated

in the space where the duct of gases and heating recovery zone are located. At small and medium scale requires less space than the traditional Hoffman model and the fire movement through the chamber is horizontal.One of the main characteristic of the Zigzag Kiln is the fuel injection, at the beginning of the firing process, the supply process is manual and carried out through the burners

located over the front part, then the supply process is made at the roof of the kiln using pneumatic equipment (carbojet), injecting the fuel using hoses and air pressure.The fuel commonly used is coal. In some cases, mixing with biomass (specifically coffee husk) has been reported.

kiln

ContinuousMoving Fire




Operational period

Industrial Semi-mechanised Hollow/perforatedbricks

> 1 & < 10 million bricks (medium scale) Round the year

eSTIMATeD N° Of OpeRATIONAl eNTeRpRISeS AND TOTAl pRODUCTION (USINg ZIg ZAg KIlN)

Country N° of enterprises Total production(Million bricks/tiles/year)

Colombia 5 ~ 10,0

Bolivia

Chile

Argentina

Uruguay

Paraguay

Brasil

Surinán

Guyana

Venezuela

Colombia

Ecuador

Guyana Francesa

Perú

Front view of the kiln Fuel supplying (carbojet system)


2


6 ZigZag Kiln

• Zigzag Kiln consists on parallel chambers with tunnel shape and a dome roof; the ducts are located over the roof of the kiln. The fire moves between the chambers through the openings used to supply the fuel. The firing process is produced due to the horizontal displacement of the heating along the kiln (forced draught).

• Then the processes described in items 03 to 05 are repeated in the second chamber. The whole process is repeated from one chamber to the next.

• Once the heating is transferred to the next chamber and the optimal firing temperature is reached, the cooling process in the chamber with the fired bricks is started. Usually this process is supported by industrial fans to accelerate the cooling and to reduce operation time.

• During the firing process in a chamber, the operators can start the cooling process and downloading products in the previous chamber, as well as the loading of the pieces for preheating in the next chamber (semi continuous process).

At the first stage, the kiln is manually ignited using the frontal burners; the process can take 06 to 08 hours until

reach a temperature between 200 and 300°C. During this period the gases duct is

completely sealed.

1Once the elevation of the temperature

starts, the fuel is supplied mechanically with the carbojet (coal feeder); during this stage the temperature can reach a range between

900 to 1.000°C in the firing zone.

2

When 70% of the firing process has been completed in the first chamber, the gases

duct is closed, and both duct for firing and duct of gases on the second chamber are

opened.

Once the firing process is concluded in the first chamber, part of the injection hoses of the coal feeder are placed over the power line of the second chamber, increasing the

supplying frequency to transfer the heating to this chamber. When the temperature

threshold is reached, the rest of the hoses are placed over the fuel supply openings in

the second chamber.

4

5

Once the temperature threshold is reached, the coal feeder keeps the

temperature so the heating is distributed along the chamber using the carbojet

device; during this process, gases duct is opened a 20%.

3

5

4

3

1

2

CHAMbeR 2

5

4

3

1

CHAMbeR 1

2


3



COMMONlY USeD fUelS



eMISSION STANDARDS



Physical chemical conditions of coal, fuel storage and supplying process have a direct incidence in the combustion process, if these aspects are not adequately controlled higher emission levels could be produced as well as lower energy efficiency.


6


CO2

black Carbon

(bC)

particulate Matter

(pM)CO

Not available

Not available

Not available

Not available

Country pM (mg/Nm3)

Colombia 250 mg/Nm3


Average: 2,04 MJ/kg fired bricks(Range: 2,0 – 2,05 MJ/kg fired brick)


Zigzag Kiln efficiency depends on the number of chambers, compared with intermittent kilns (for example, Dome Kilns) this model is more efficient in approximately 40% (1 - 2 MJ/Ton); but compared with other continuous kilns (Hoffman, Chambers or Tunnel) is less efficient in 40% (1 - 1.1 MJ/Ton)


Some losses could be reported mainly due to the inadequate practices in sealing the kiln and non controlled fuel supplying.



(for annual production capacity of ~2 million bricks)(excluding land and working capital cost)

165.000 USD


Material Cost 62%

Labour Cost 28%

Equipment Cost 10%

Total 100%

Production Capacity

170,000 bricks per monthMain brick size: 300 x 200 x 100 mm


8-10

Payback Period




gOOD 91%

INfeRIOR 8%

lOSSeS AND bReAKAgeS 1%

gOOD bRICK


Description on product qualityAssuming optimal conditions and proper fuel feeding, products are homogeneous and have a good quality; however, some products placed on the heating zone could be affected.It is not recommended to fired tiles due to the thermal behavior in the interior of the kiln that is optimal when pieces are placed leaving a space between the bricks


Solid bricks


Roof Tiles

Others


Flue gases exhausted from the chimney and unpaved surfaces around cause concentration of soot and dust in the surrounding environment and the workers are exposed to concentration of suspended particulate matter.



Workers responsible of discharging products and fuel feeding are exposed directly to heat and some radiation.

This can result in dehydration among workers.

Risk of accidentsDanger of fall down during fuel supply on the roof of the kiln.Electric shock during the operation of the feeding equipment.

Risk of injuries.

ZigZag Kiln


Practices followed at Zig-zag kiln enterprises do not comply with the International Labour Standards on occupational health and safety drawn up by ILO, majority of the workers are usually exposed to thermal stress and emissions from the chimney. Significant risk of accidents during fuel supply on the roof of the kiln. No migratory labour issues have been identified.

6

5

4

3

2

1

0

MJ/kg fired bricks

Tunnel7 Zig - Zag Intermitent(campaña)8

(2,00 - 2,05)

minimum (1,34-1,77)

maximum (3,85 - 5,35)

biomass

Mineral coal

4


6

Conclusion:



CO2 Not available

The average value of PM emissions is within the notified limit (Colombian Norms)

black Carbon NA

pM NA

CO NA

fUel & eNeRgY SeC (MJ/kg fired brick) 2,04 Energy consumption could be reduced in approximately 40 % when the

kiln operates continuously.


Capital Cost (USD) 165.000The production capacity can be increased in 10 to 15% with an income increase around 50.000,00 USD per year due to less use of fuel.

production Capacity 2,1 million bricks/year

Simple payback 0,5 -2,0 years

pRODUCT QUAlITYTypes of product solid and hollow bricks The bricks produced meet the requirements established in the Colombian

Technical Norm for construction products.good Quality product 91%

OHS

exposure to dust yesThis model of kiln improves labor conditions compared with other intermittent technologies; the risk of accidents is reduced in 50% due to its ease of operation.




RefeReNCeS:References are provided as `Endnotes´(1) L. L. F. Rojas Gómez, et. al. Technological conversion of the firing process in a brick enterprise, 2003. Cited in the study elaborated by CAEM to define the appropriate technology under a conversion process for artisan producers, 2011(2) Report on ‘Brick Kiln Performance Assessment’ available at http://www.unep.org/ccac/Portals/24183/docs/Brick_Kilns_Performance_Assessment.pdf(3) Ibid.(4) Field observation.(5) Ibid.(6) By its initials in Spanish(7)Tunnel Kiln: EELA. Manual de hornos eficientes para la industria de cerámica roja. Feb, 2015. / Greentech, SDC. Factsheets about brick kilns in South and South-East Asia. Dec, 2013.(8)Intermitent (campaña): EELA. Diagnóstico inicial del sector ladrillero, Región del Seridó en el Nordeste de Brasil. Marzo, 2011

ZigZag Kiln




factsheet prepared by:Business Environmental Corporation – CAEM , Bogota, Colombia(CAEM Colombia staff members for EELA Project)Swisscontact, Lima, Peru(EELA Program staff members)


CONTACT


business environmental Corporationbogota, ColombiaTelephone: + 571 3830300Web: http://www.corporacionambientalempresarial.org.co/

1




7 DownDraft kiln

This type of downdraft kiln has a rectangular shape with a dome at the top and several openings at the side to inject air and fuel. The principle of operation consists in the downdraft or ascendant flame. This model has been adopted as an improved version of the open-pit fire kiln; compared with this, the downdraft kiln is more efficient and has better distribution of the heat into the kiln; as a result, the quality of products is also improved.

In addition, the downdraft kiln complies with air emission limits for NOx, SO2 and CO. The model was developed and built in conjunction with the brick producers in Cusco-Peru (San Jeronimo), and then replicated in Cuenca- Ecuador.The combustion starts at the front, rear and lateral zones of the kiln (12 burners), at the beginning of the burning process the gases produced by the combustion move towards the roof of the dome, then the heat goes

down through the bricks and finally through the small apertures at the floor. The flue gases leave the kiln through an underground duct and move to the chimney. The draft is forced with a fan.The fuels commonly used are logs, branches, pieces of wood and sawdust.

kiln Nature of Organisation Level ofmechanisation



Operational period

Artisanal Semi-mechanisedSolid bricks

Hollow/perforatedbricks

< 0.5 million bricks (micro scale)

Round the year

eSTIMATeD N° Of OpeRATIONAl eNTeRpRISeS AND TOTAl pRODUCTION (USINg DOWNDRAfT KIlN)

Country N° of enterprises Total production(million bricks or tiles year)

Perú ~ 3 ~ 0.5

Ecuador ~1 ~ 0.5

Bolivia

Chile

Argentina

Uruguay

Paraguay

Brasil

Surinán

Guyana

Venezuela

Colombia

Ecuador

Guyana Francesa

Perú

Intermittant


2


7

The complete production cycle in the kiln is: 04 - 07 hours for loading the bricks, 12 - 16 hours for firing process (including pre heating) and up to 02 days for cooling process; these periods depend on the type of product, raw material and fuel used. The operation temperature range from 800 to 1000°C.

Firing holes

The heating produced during the combustion process rise towards the roof of the kiln, the air for the combustion process is injected with a fan.

1

Once on the top the hot gases change direction and move down through the bricks

2

Finally the gases (fumes) move toward the chimney through an underground duct connected to the opening on the floor; this process can be natural or forced by an exhaust

4

Then the gases leave the kiln through and opening on the floor

3

1

2

3

4

DownDraft kiln


3



COMMONlY USeD fUelS



eMISSION STANDARDS

Emission standards for the brick industry in Peru are in a process of discussion at the government level, include particulate matter and gases. The regulation is in process to be approved, values above reported apply for solid fuels.


The emissions of this kiln depend on the relation air/fuel injected; good practices applied under the operation process result of low level emissions of soot and gases; indeed, due to the downdraft principle of operation; the bricks act as a filter retaining some portion of the particles produced.


7


CO2

black Carbon

(bC)

particulate Matter

(pM)CO

100,9 g/kg brick

Average

Not available

Not available

2.96 g/kg brick

Average

Country perú

PM (mg/Nm3) 150

NOx (mg/Nm3) 650

SO2 (mg/Nm3) 500

CO (mg/Nm3) 1000

biomass (eg. firewood, biomass briquettes, sawdust).


Average: 3,10 MJ/kg fired bricks or tiles (Range: 2.8 – 3,5 MJ/kg fired or brick or tile)

COMpARISON Of SeC Of DOWNDRAfT KIlN WITH OTHeR KIlN TeCHNOlOgIeS

The downdraft kiln reports a usual SEC for intermittent kilns (SEC – 2 to 4.5 MJ/kg fired brick ), a positive aspect is the possibility to recover the heat of the combustion gases, to be used during the drying process


Incomplete combustion of wood and heat, losses from exhaust gases in the stack

Capital Cost break-up


Capital Cost of the kiln technology(for annual production capacity of 0.18 – 0.60 million bricks)(excluding land and working capital)

6.000 to 12.000 USD


Material Cost 50%

Labour Cost 35%

Equipment Cost 15%

Total 100%

Production Capacity

800-1100 tons/year, depending on the size of ceramic processing. Example.180,000 perforated bricks of 12x20x25 cm or 600,000 perforated bricks of 8x23x12 cm


2

Payback Period




gOOD 80%

INfeRIOR (UNDER-FIRED & OVER-BURNT) 17%lOSSeS (BREAkAGES) 3%

gOOD bRICK


Description on product qualityNon-uniform temperature across the verticalsection of the kiln results in under-fired bricks at the floor zone and hence differences in theproduct quality


Solid bricks


Roof Tiles

Others


Description about the exposure: Flue gases and particulates exhausted from the chimney and unpaved surfaces around cause a concentration of soot and dust in the surrounding environment and the workers are exposed to concentration of suspended particulate matter

Impacts: This can result in a few cases of respiratory diseases among workers.


Description about the exposure:Workers responsible of discharging products and fuel supply are exposed directly to heat and some radiation

Impacts: This can result in dehydration among workers.

Risk of accidentsDescription about the exposure: Danger of burning during the firing or discharging

Impacts: Risk of injuries.

Practices followed at Downdraft kiln enterprises usually do not comply with the International Labour Standards on occupational health and safety drawn up by ILO. Workers are usually exposed to thermal stress and emissionsNo migratory labour issues have been identified

6

5

4

3

2

1

0

MJ/kg fired bricks

Tunnel8 Downdraft Intermitent(campaña)9

(2,37)

minimum (1,34-1,77)

maximum (3,85 - 5,35)

Mineral coal

DownDraft kiln


4



factsheet prepared by:Swisscontact, Cusco and Lima, Peru(EELA Program staff members)



7

Conclusion:



CO2 100,9

Incomplete combustion in Downdraft kiln results in high values of emissions. The average value of PM emission lie within the notified limit, however, some of the kilns could emit higher PM

black Carbon NA

pM NA

CO 2,96

fUel & eNeRgY SeC (MJ/kg fired brick) 3,10 High mass of the kiln requires aditional energy.


Capital Cost (USD) 6.000 to 12.000

The low capital investment and good profit is one of the main reasons that make this kiln popular

production Capacity 0,18-0,60 million bricks/year

Simple payback 0,8 – 1.5 years

pRODUCT QUAlITYTypes of product All types of products Non-uniform temperature distribution in the cross-section of the kiln

results in variation in product qualitygood Quality product 80%

OHS

exposure to dust Yes, with sawdust manipulation during burning and ash on the

bricks during discharge.

Downdraft kiln operators work under exposition to high heatexposure to Thermal stress Yes

Risk of accidents Yes, low risk


RefeReNCeS:(1)Report on ‘Informe de la Quinta Quema en el Horno Prototipo’ available at http://www.redladrilleras.net(2)Ibid(3)Heierli; Urs.; Maithel, Sameer; Fust, Walter. Brick by brick: The Herculean Task of Cleaning Up the Asian Brick Industry.(4)Fuel injection system and thermocouples(5)Report on ‘Occupational health and safety study (OHSS) of brick industry in the kathmandu valley’ by Department of Environmental Sciences and Engineering (DESE), kathmandu University, Nepal (6)Ibid

DownDraft kiln

CONTACT:Swisscontactlima, peruTelephone: +51 1 2641707E-mail: [email protected]: www.redladrilleras.net


A.2 Entrevistas

Successful Technology CasesSuccessful Technology CasesSuccessful Technology CasesSuccessful Technology Cases

1. ¿Cual ha sido el cambio tecnológico que ha implementado (de horno XXX a horno XXX)?

2. ¿Cual fue el motivo por el que decidió cambiar de tecnología?

3. ¿Considera que con la nueva tecnología ha mejorado la calidad de su producto?

4. ¿El cambio tecnológico le ha permitido incrementar sus ventas? De ser así, ¿en qué porcentaje?

5. ¿El cambio tecnológico le ha permitido aumentar sus ingresos netos? de ser así, ¿en qué porcentaje?

6. ¿El cambio tecnológico ha aumentado sus costos de operación?

7. ¿Qué tipo de costo aumentó?

*

55

66

Aumento de costos

Disminución de costos 1

Si

nmlkj

No

nmlkj

Si

nmlkj

No

nmlkj

Mano de obra

gfedc

Combustible (tipo____________)

gfedc

Control de procesos

gfedc

Energía eléctrica

gfedc

Mantenimiento de equipos

gfedc

Otro (especifique)

Successful Technology CasesSuccessful Technology CasesSuccessful Technology CasesSuccessful Technology Cases8. ¿El cambio tecnológico ha disminuido sus costos de operación?

9. ¿Qué tipo de costo disminuyó?

10. Por favor indique si experimentado ventajas adicionales por el cambio tecnológico:

11. Por favor indique si ha experimentado alguna desventaja del cambio tecnológico

Disminución de costos

55

66

55

66

Si

nmlkj

No

nmlkj

Mano de obra

gfedc


gfedc

Control de procesos

gfedc

Energía eléctrica

gfedc


gfedc

Otro (especifique)









*

55

66

Aumento de costos


Si

nmlkj

No

nmlkj

Si

nmlkj

No

nmlkj

Mano de obra

gfedc


gfedc

Control de procesos

gfedc

Energía eléctrica

gfedc


gfedc

Otro (especifique)