Desarrollo de factores de emisión y del rendimiento energético en hornos ladrilleros

La creciente industria artesanal de ladrillo demanda la evaluación de diferentes tecnologías

de los hornos que existen en el país y los que hay a nivel mundial; con el fin de analizar

tecnologías que puedan satisfacer las necesidades de cada productor en nuestro país. La

competencia entre estas tecnologías se basa principalmente en el rendimiento y la

productividad que un horno pueda brindar, pero también en la generación de contaminantes

que se liberan a la atmósfera en un proceso de cocción.

Horno Túnel Hoffman

El horno Hoffman fue un ingenio que revolucionó la producción de ladrillos en serie, tomó

el nombre de su inventor, Friedrich Hoffman, arquitecto alemán, fabricante de materiales

de construcción en Berlín y ganador de un gran premio en la Exposición Universal de 1867

(Mi+d, 2012). Es un horno multi – cámara donde el aire caliente por el enfriado de los

ladrillos en algunas cámaras precalienta el aire de la combustión para el fuego, y los gases

resultantes de esta combustión precalientan a los ladrillos verdes. La ventaja principal de

este horno es el bajo consumo de combustible (Swen, 2011).

Las paredes del horno son gruesas y aisladas, las cuales minimizan la pérdida de calor al

exterior. En el interior está dividido por cámaras, cuya longitud y número de bocas es

variable (aunque el número regular es de 16 cámaras), que permiten que la producción sea

continua Está diseñado para que los ladrillos verdes sean cargados en la sección delantera

del horno al mismo tiempo que los ladrillos quemados son descargados en la parte posterior

del horno (Jones, 1995).

Figura 1. Funcionamiento de un horno Hoffman

Fuente: Moore, 2011

Este sistema permite que el fuego circule de forma permanente durante todo el proceso de

cocción a lo largo de cada uno de los compartimentos. De este modo, la cocción se desplaza

por la nave de forma secuencial: mientras en una sección se está cociendo el material, en la

siguiente, se empieza a elevar la temperatura al tiempo que en la anterior, el material ya

cocido, empieza a enfriarse permitiendo ser descargado y llenado de nuevo. Así, se evitan

cambios bruscos de temperatura, consiguiendo una cocción paulatina y homogénea y un

funcionamiento del horno más económico al aprovecharse al máximo el calor (Mi+d,

1995).

Según Otero (2005) el rendimiento energético del horno oscila entre 1,8 y 2,35 MJ/kg de

arcilla quemada.

El horno Hoffman de la ciudad de La Paz, consta de varios compartimientos de ladrillo que

forman bloques de ladrillo y que están separados por un espacio vacío entre cada uno de

ellos. Funciona con un quemador “araña” de aire forzado, que presenta 12 quemadores

individuales. Este va rotando por los diferentes puntos del horno, trasladándose de un punto

a otro, una vez alcanzada la temperatura requerida en cada compartimiento. El mismo tiene

un ventilador que inyecta el aire a través de cada quemador individual, permitiendo que

exista una adecuada relación de aire – combustible para la combustión.

Consumo de energía en un horno de quemado

Según De Paulo (2009), la energía resultante del proceso de combustión en un horno de

quemado básicamente se la puede asociar con cuatro destinos:

Energía asociada con la carga: es la energía necesaria para que la carga de

ladrillos alcance la temperatura requerida. Involucra la energía empleada para la

evaporación de la humedad residual de los ladrillos verdes y la energía asociada con

las reacciones químicas y físicas que sufre la materia prima durante el proceso de

cocción.

Energía asociada a la masa térmica del horno: es la energía que se necesita para

calentar la masa total del horno. En el caso de los hornos continuos solamente es

necesario calentar esta masa al iniciar la producción. Por el contrario, en los hornos

tradicionales que realizan la cocción por lotes, esta transferencia debe ser repetida

para cada uno de los lotes de ladrillos a quemar.

Energía asociada al flujo de gas de chimenea: es la energía que se pierde en el

flujo de gases de combustión que salen por la chimenea.

Energía perdida: es la energía transmitida al ambiente por conducción a través de

la estructura del horno, esta energía está expresada como pérdida de calor en el

sistema

Factores de Emisión

Un factor de emisión es un valor representativo que tiene la finalidad de relacionar la

cantidad de un contaminante liberado en la atmósfera con una actividad asociada a la

liberación de este contaminante (EPA, 1997).

Varían no solamente de acuerdo con el tipo de combustible sino con la actividad realizada

(generación de energía, procesos industriales, aplicaciones residenciales, etc.) y la

tecnología utilizada para tal fin (calderas, hornos, estufas, etc.). En este sentido, La EPA, en

el documento de factores de emisión para la AP – 42, sector 11.3: factores de emisión para

la industria ladrillera y de arcilla estructural; ha desarrollado una serie de dichos factores de

emisión clasificándolos por combustible, proceso y tecnología, de tal manera que a medida

que se tiene más datos detallados, el factor de emisión resulta más exacto. Generalmente se

expresan como el peso de contaminante emitido por unidad de peso, volumen, energía o

actividad, dependiendo del nivel escogido.

Un factor de emisión no apropiado puede cambiar totalmente la precisión de las emisiones.

Por ejemplo, los factores de emisión de la AP – 42 para combustión, fueron determinados

para las condiciones atmosféricas de los Estados Unidos, donde la mayor cantidad de

oxígeno disponible en el aire ambiente implica un proceso de combustión más eficiente,

dando como resultado factores de emisión menores a los apropiados para Bolivia (Pareja,

2011).

Dichos factores facilitan la estimación de las emisiones de una fuente en particular. Según

la EPA (1997), la emisión de una fuente está dada por la siguiente ecuación:

Eij=∑ Ai FEij [

100−EC100

]

Donde:Eij = Emisión de la fuente i para un contaminante jAi = tasa de actividad de una fuente i (unidad de actividad)FE = factor de emisión de una fuente i para un contaminante j (masa de contaminante/unidad de actividad).EC = efectividad global de la reducción de la emisión, %

La tabla 1 expone los factores de emisión elaborados por la EPA para los contaminantes de

interés de la presente investigación, de acuerdo al combustible utilizado en los hornos:

Tabla 1. Factores de emisión de hornos según el combustible utilizado

Combustible del horno

Factor de Emisión según el contaminante en kg/Mg

PM 10 NOx SO2 CO CO2

Gas 0,44 0,45 0,75 1,30 390Aserrín 0,19 0,18 0,75 1,60 260Carbón 1,10 0,35 0,61 0,45 230

Fuente: en base a EPA, 1997

Los valores que muestra la tabla 1 son de los factores de emisión más elevados, que se

obtuvieron de evaluaciones realizadas a diferentes hornos.

Equipos

Para poder realizar la prueba de chimenea y determinación del rendimiento energético, son

necesarios ciertos equipos de medición, tanto de la temperatura en diferentes puntos del

horno, así como de la velocidad, temperatura, emisiones en la chimenea del horno.

Tubo de Pitot y manómetro

El tubo de Pitot es un instrumento diseñado por el ingeniero Henri de Pitot, que sirve para

determinar la velocidad de un fluido que recorre un área determinada. Presenta dos

orificios. Uno que mide la presión total, resultante de la presión ambiente y de la presión

que ejerce el fluido en el área; y otro que mide la presión estática o ambiente (figura 2):

Figura 2. Principio de funcionamiento del tubo de Pitot “S”

Fuente: Modificado de KIMO Instruments, 2011

El flujo provoca presión en uno de los compartimentos del tubo, ocasionando que se dé una

diferencia de presión (ΔP). Una vez calculada esta diferencia, es posible calcular la

velocidad del aire en m/s, mediante la fórmula simplificada de Bernoulli:

v=k √ 2 RTM∗Pamb

ΔP Ec. 10

Donde:ΔP = Diferencia de presión (presión dinámica)k = Constante del tubo de Pitot para las dimensiones específicas de esteR = Constante universal de gases T = Temperatura en el interior de la chimeneaM = Peso Molecular del fluido de chimeneaPamb = Presión ambiente

Para medir esta diferencia de presiones se puede utilizar un manómetro de dos líquidos o un

manómetro de agua, que tienen mayor sensibilidad y estabilidad (a diferencia de los

analizadores automáticos que no mantienen un mismo valor) con la finalidad de medir la

diferencia de presión generada entre la chimenea y el ambiente.

Analizador automático de gases de combustión Testo 340

Para la determinación de los gases de combustión generados en los hornos y de la

temperatura de salida de los gases, se usará un Analizador de gases de combustión

compacto, Testo 340 (figura 3):

Figura 3. Analizador de gases de combustión compacto, Testo 340

Fuente: TEC, S/F; elaboración propia.

Este medidor viene equipado con una celda que permite realizar la cuantificación del

exceso de oxígeno. Además se añadieron dos celdas más, para realizar la medición de

emisiones de los gases CO, CObajo, NO, NObajo y tiene la capacidad de, en base a estos

gases medidos, calcular la concentración de CO2, NO2, el exceso de aire y la eficiencia de la

combustión resultante del proceso. Una vez que las celdas cumplen con su tiempo de vida,

estas pueden ser remplazadas por el usuario.

Tren de muestreo isocinético para medición de PMF

Para garantizar el muestreo isocinético, la metodología para la medición de las PMF

demandó la fabricación un sistema de captación de partículas (figura 4). Este sistema está

compuesto por seis piezas: la sonda de muestreo de PM (1), la sonda de presión (2), el porta

filtros con el filtro de captación de PM (3), el manómetro (4) que puede ser el manómetro

de dos líquidos o un manómetro automático; el medidor de flujo (5), el regulador de flujo

(6) y la bomba de flujo (7) que absorbe un flujo de aire de la chimenea.

Figura 4. Esquema del Tren de muestreo isocinético de medición de PMF

Fuente: Elaboración propia, 2012

La figura ilustra el sistema de medición de PMF, el cual tiene el siguiente funcionamiento:

1. La muestra ingresa a través de la sonda de muestreo la cual está conectada al

portafiltro por un lado y al manómetro por otro. La finalidad de la conexión con el

manómetro es la de medir la presión dentro de la boquilla de la sonda de muestreo.

2. Tanto la sonda de muestreo como el tubo de Pitot están en el interior del horno. Este

último permite medir la presión al interior de la chimenea. Para esto debe ser

conectado al extremo libre del manómetro de dos líquidos (el otro extremo está

conectado a la sonda de muestreo)

3. El portafiltro está conectado al medidor de flujo y este a la bomba de flujo. La

muestra es retenida en el filtro de PM. El medidor de flujo permite conocer el flujo

de captación, que se determina a partir del volumen medido en el medidor de flujo y

el tiempo de captación. Este tiempo no deberá ser mayor a 10 minutos por cada hora

de quema, con el fin de no dañar ni el equipo de PMF ni el filtro de PM.

4. Para garantizar el muestreo isocinético las presiones dentro de la boquilla de la

sonda de muestreo y dentro de la chimenea deben ser iguales, esto indica que las

velocidades en ambas secciones son similares. Al introducir la sonda, el manómetro

marcará una diferencia de presión; al encender la bomba, el manómetro marcará una

presión diferente. Para que el muestreo sea isocinético, la presión medida en el

manómetro debe estar nivelada, es decir, el flujo de la bomba debe ser igual al flujo

de gases en la chimenea.

Termocupla tipo K

Se utilizó la termocupla tipo k (figura 5) para determinar la temperatura en distintos lugares

de los hornos y a diferentes tiempos, con el fin de controlar la distribución de calor dentro

del horno.

Figura 5. Termocupla utilizada

Fuente: Elaboración Propia, 2012

Esta termocupla está conectada a un lector en el cual se expone la temperatura medida.

Soporta temperaturas de hasta 1200 °C.

Protocolo de monitoreo de la temperatura para el horno Hoffman

El protocolo de monitoreo de temperaturas en el horno Hoffman será el siguiente:

1. Antes del comienzo de la quema, se tomarán las medidas del largo, ancho y alto de

la cámara de cocción, así como las medidas de las chimeneas del horno. Se

verificará la máxima potencia de cada quemador individual y de todo el quemador

“araña”; también se medirá la velocidad de succión de las chimeneas y la velocidad

de inyección de aire a través del ventilador. Además se deberá registrar la lectura

inicial del puente de GN

2. Se dividirá al horno en cuatro secciones iguales, dependiendo del largo de este. Con

el fin de no realizar más perforaciones en el horno, se utilizaran los orificios de

control del ladrillo, situados en medio de los orificios destinados para los

quemadores, como punto de introducción de la termocupla. Sin embargo, para

realizar el monitoreo de la temperatura en las paredes laterales del horno, será

necesario realizar las correspondientes perforaciones en cada una de las secciones

del horno.

3. Se registrarán las temperaturas de carga, techo interior, techo superior, pared lateral

interior, pared lateral exterior y chimenea; a cada 2 horas desde el inicio de la

quema, en todos los puntos del horno. Para esto se utilizarán diferentes termocuplas,

las cuales serán introducidas dentro del horno, de manera que sea posible registrar

estos datos. También debe registrarse el flujo de GN en el puente de gas.

4. Se pesará la masa de madera y aserrín que se añada al horno, además del momento

en que estos sean añadidos.

5. Por último debe registrarse la hora de cambio de posición del quemador “araña”, el

porcentaje de apertura del ventilador del mismo y cualquier otra observación

concerniente.

Prueba de chimenea

El procedimiento para la prueba de chimenea es el siguiente:

1. Instalación de plataforma de medición en inmediaciones de ambas chimeneas, lo

suficientemente estables para sostener tanto al equipo como a la persona encargada de

la medición. Posteriormente se realizará la perforación de la chimenea. Según EELA

(2011), la toma de muestras debe realizarse en un tramo recto de la chimenea. Este

tramo debe tener una longitud igual a 10 veces al diámetro de la chimenea o, en su

defecto, una longitud que como mínimo contenga 2½ veces dicho diámetro. Con este

fin, se medirá el diámetro y el área de la chimenea estudiada.

2. El principio de localización de los puntos de medición para la prueba de chimenea

establece la división de la sección transversal de esta en partes iguales, ubicando un

punto de travesía en cada una de tales partes iguales (Echeverri, 2006).

3. Ya realizadas las perforaciones, se midieron y llenaron los datos de la tabla 2 a

continuación:

Tabla 2. Datos a medir en la prueba de chimenea

Dato Metodología/EquipoFecha y hora Fecha y hora de la medición

Temperatura chimenea* Analizador automático TESTO 340Exceso de aire Analizador automático TESTO 340

% de O2 Analizador automático TESTO 340CO [ppm] Analizador automático TESTO 340NO [ppm] Analizador automático TESTO 340NOx [ppm] Analizador automático TESTO 340

PMF Tren de muestreo de PMVelocidad del gas Tubo de Pitot o Cálculo1

Toma de datos finales

Al finalizar el proceso de cocción de ladrillos, se realizará la lectura del puente de GN final,

la cual permitirá conocer el consumo de este combustible en todo el proceso de cocción; y

se realizará una última medición de la temperatura (final) en todos los puntos del horno.