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Hornos de combustión: alternativas de reducción de emisiones e incremento de rentabilidad

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HORNOS DE COMBUSTIÓN: ALTERNATIVAS DE REDUCCIÓN DE EMISIONES E INCREMENTO DE RENTABILIDAD

Gustavo Guerrero Gómez

Universidad de Santander - UDES Facultad de Ingenierías

Maestría en Sistemas Energéticos Avanzados Bucaramanga

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HORNOS DE COMBUSTIÓN: ALTERNATIVAS DE REDUCCIÓN DE EMISIONES E INCREMENTO DE RENTABILIDAD

Gustavo Guerrero Gómez

Proyecto de grado presentado como requisito para optar al título de Magister en Sistemas Energéticos Avanzados

Director:

MPE Wilson Giraldo Picón

Universidad de Santander - UDES Facultad de Ingenierías

Maestría en Sistemas Energéticos Avanzados Bucaramanga

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AGRADECIMIENTOS

El autor del proyecto expresa su agradecimiento a:

La Universidad Francisco De Paula Santander Ocaña por su valioso apoyo en la financiación de este proyecto hasta su culminación.

Wilson Giraldo Picón, Ingeniero Electricista y director del proyecto, por su valiosa asesoría para llevar a cabo este proyecto.

A los jurados, por su colaboración en la revisión del proyecto.

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Tabla de Contenido

1. GENERALIDADES DEL PROYECTO……….……24

1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA………....24

1.2 ANTECEDENTES DEL PROBLEMA………...…24

1.3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA………..26

1.4 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA………26

1.5 OBJETIVOS……….…....27

1.5.1. Objetivo General……….27

1.5.2. Objetivos Específicos..………..………....27

2. MARCO REFERENCIAL………...29

2.1 MARCO HISTÓRICO……….29

2.2 MARCO CONCEPTUAL ... 30

2.2.1. Descripción del proceso productivo. ... 30

2.2.2. Producción de materiales cerámicos. ... 30

2.2.3. Etapa de cocción. ... 30

2.2.3.1. Caldeo. ... 31

2.2.3.2. Precocido. ... 31

2.2.4. Etapa de cocción ... 31

2.2.4.1. Etapa de vitrificación. ... 31

2.2.4.2. Etapa de enfriamiento ... 32

2.2.5. Control de calidad del producto cocido. ... 32

2.2.5.1. Absorción de agua o densidad del producto ... 33

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6

2.2.6. Combustión. ... 35

2.2.6.1. Aire estequiométrico o teórico. ... 36

2.2.6.2. Exceso de aire ... 37

2.2.6.3. Eficiencia de la combustión. ... 37

2.2.6.4. Eficiencia del horno ... 38

2.2.7. Normativa ambiental en Colombia. ... 38

2.2.7.1. Estándares de emisión ... 38

2.2.7.2. Temperatura de los gases. ... 39

2.2.7.3. Características de las mediciones directas en hornos. ... 39

2.2.8. Métodos de evaluación de emisiones atmosféricas. ... 39

2.2.8.1. Medición directa. ... 40

2.2.8.2. Métodos empleados para la medición directa. ... 40

2.2.8.3. Ubicación del punto de muestro y número de puntos de medición. ... 41

2.3 ESTADO ACTUAL ... 41

2.4 MARCO CIENTÍFICO Y TECNOLÓGICO... 46

2.5 DISEÑO METODOLÓGICO ... 47

2.5.1. Descripción de las ladrilleras seleccionadas. ... 47

2.5.1.1. Descripción ladrillera el recreo 2. ... 48

2.5.1.1.1. Proceso de producción. ... 49

2.5.1.2. Descripción ladrillera Ocaña ... 52

2.5.2. Diseño, programación e instalación del sistema de adquisición de temperaturas. Por medio de ... 57

2.5.3 Montaje de los instrumentos de medición. ... 60

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7

3.1.1. Ensayo tasa de absorción inicial ... 65

3.1.2 Ensayo Inmersión durante 24 horas ... 77

3.1.3 Ensayo resistencia a la compresión ... 90

3.1.4 Ensayo módulo de rotura o flexión ... 104

3.2. VALIDACIÓN DEL INSTRUMENTO VIRTUAL EN LOS HORNOS SELECCIONADOS. ... 126

3.3. EVALUACIÓN ENERGÉTICA EN LOS HORNOS DE LA LADRILLERA EL RECREO 2 Y LA LADRILLERA OCANA ... 128

3.3.1. Calor de entrada. ... 129

3.3.2. Acumulación de calor en mampostería ... 130

3.3.3. Calor por carga del material a cocer. ... 148

3.3.4. Calor para sacar la humedad del material. ... 155

3.3.5. Calor necesario para la descomposición química de la arcilla. ... 158

3.3.6. Calor por humedad del carbón. ... 161

3.3.7. Calor por agua formada en la combustión. ... 164

3.3.8. Calor por humedad del aire. ... 168

3.3.9. Calor por inquemados. ... 175

3.3.10. Pérdida de calor por las paredes. ... 177

3.3.11. Calor por humos ... 187

3.3.12. Pérdidas intangibles ... 192

3.3.13. Rendimiento del horno. ... 193

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8

3.4.1. Requerimientos energéticos y de aire necesario para la

combustión... 195

3.5. PROCEDIMIENTOS DE MEDICIÓN DE EMISIONES ATMOSFÉRICAS ... 207

3.5.1. Ubicación del punto de muestro y número de puntos de medición. ... 207

3.5.2. Medición de emisiones de gases en los hornos ... 208

3.5.3.Corrección a condiciones de referencia ... 215

3.5.4. Exceso de aire ... 217

3.5.5. Eficiencia de la combustión ... 218

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS………..223

4.1. ANÁLISIS EN ENSAYOS DE UNIDADES DE MAMPOSTERÍA DE ARCILLA Y BLOQUES DE ARCILLA………...224

4.1.1. Ensayo tasa de absorción inicial………...223

4.1.2. Ensayo inmersión durante 24 horas. ... 223

4.2. ANALOGÍA CURVAS DE COCCION EN EL PROCESO ... 268

4.3. ANÁLISIS DE LA ENERGÍA EN LOS HORNOS DE LA LADRILLERA EL RECREO 2 Y LA LADRILLERA OCAÑA ... 275

4.4. ANÁLISIS GASES EMITIDOS POR LAS LADRILLERAS... 291

4.4.1. Corrección a condiciones de referencia ... 295

4.4.2. Análisis exceso de aire y eficiencia de la combustión. ... 296

5. CONCLUSIONES ………..301

6. RECOMENDACIONES ……….317

7. BIBLIOGRAFÍA………...321

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Listado de tablas

Pág.

Tabla 1. Resistencia a la compresión de diferentes unidades de

mampostería. ... 34

Tabla 2. Estándares de emisión admisibles de contaminantes al aire para las industrias de fabricación de productos de cerámica ... 38

Tabla 3. Métodos empleados para evaluación de mediciones de emisiones de contaminantes ... 40

Tabla 4. Inventario de las empresas de dedicadas a la explotación y transformación de arcilla en el municipio Ocaña... 42

Tabla 5. Resultados ensayo tasa de absorción inicial en ladrillos ... 70

Tabla 6. Resultados ensayo tasa de absorción inicial en bloques ... 76

Tabla 7. Resultados ensayo inmersión 24 horas en ladrillos ... 80

Tabla 8. Resultados ensayo inmersión 24 horas en tejas ... 87

Tabla 9. Resultados ensayo inmersión 24 horas en bloques ... 88

Tabla 10. Resistencia a la compresión en ladrillos ... 94

Tabla 11. Resistencia a la compresión en bloques ... 102

Tabla 12. Resultados ensayo módulo de rotura o flexión en ladrillos 108 Tabla 13. Resultados ensayo módulo de rotura o flexión en ladrillos 115 Tabla 14. Resultados ensayo módulo de rotura o flexión en bloques 122 Tabla 15. Resultados ensayo módulo de rotura o flexión en bloques 124 Tabla 16. Temperatura media de la pared y el piso del horno ... 132

Tabla 17. Temperatura media de los puntos de medición ... 139

Tabla 18. Peso promedio productos al ingreso y salida del horno ... 151

Tabla 19. Peso promedio productos al ingreso y salida del horno ... 154

Tabla 20. Composición química del carbón del Norte de Santander . 166 Tabla 21.Numero de moles constituyentes del carbón en el horno de la ladrillera el recreo 2 y la ladrillera Ocaña ... 207

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Listado de Figuras

Pág.

Figura 1. Horno ladrillera el recreo 2 ... 49

Figura 2. Preparación de la arcilla ... 49

Figura 3. Moldeo del ladrillo ... 50

Figura 4. Secado de los ladrillos ... 50

Figura 5. Cargue del ladrillo y combustible ... 51

Figura 6. Sellado de la puerta de cargue y descargue de productos ... 51

Figura 7. Esquema horno Hoffman ... 52

Figura 8. Banda transportadora ... 53

Figura 9. Desterronador ... 53

Figura 10. Amasadora ... 54

Figura 11. Cortadora automática ... 55

Figura 12. Configuración apile de bloques ... 55

Figura 13. Puerta de cargue y descargue de bloques ... 56

Figura 14. Orificios de inyección de combustible en el horno Hoffman 57 Figura 15. Ubicación equipos de monitoreo ... 58

Figura 16. Pantalla de bienvenida ... 59

Figura 17. Pantalla de testeo del sistema embebido ... 59

Figura 18. Monitor de temperaturas del instrumento virtual de la adquisición en la ladrillera el recreo 2 ... 60

Figura 19. Ubicación de los termopares utilizados en el horno de la ladrillera el recreo 2 ... 62

Figura 20. Ubicación de los termopares utilizados en el horno de la ladrillera Ocaña ... 63

Figura 21. Ubicación de los termopares utilizados en el horno de la ladrillera Ocaña ... 63

Figura 22. Ensayo tasa de absorción inicial en unidades de mampostería ... 66

Figura 23. Medición de las muestras seleccionadas ... 66

Figura 24. Determinación de la masa seca de las muestras ... 67

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Figura 26. Ubicación soportes metálicos ensayo tasa de absorción inicial

... 68

Figura 27. Absorción de agua en la muestra durante 60 segundos ... 68

Figura 28. Determinación masa de las muestras después de 60 segundos de inmersión ... 69

Figura 29. Resultados ensayo tasa de absorción inicial en ladrillos .... 75

Figura 30.Resultados ensayo tasa de absorción inicial en bloques ... 77

Figura 31. Determinación masa seca de la muestra ... 78

Figura 32. Inmersión de la muestra durante 24 horas ... 78

Figura 33. Determinación de la masa sumergida de la muestra ... 79

Figura 34. Resultados ensayo inmersión 24 horas en ladrillos ... 87

Figura 35. Resultados ensayo absorción durante 24 horas en tejas de la ladrillera las violetas ... 88

Figura 36. Resultados ensayo absorción durante 24 horas en bloques de la ladrillera Ocaña ... 89

Figura 37. Proceso de secado de las muestras en el horno mufla ... 91

Figura 38. Cámara de enfriamiento de las muestras ... 92

Figura 39. Refrentado de las muestras ... 92

Figura 40. Máquina universal PV 100-60 ... 93

Figura 41. Ensayo resistencia a la compresión ... 93

Figura 42. Resistencia a la compresión en ladrillos ... 102

Figura 43. Resistencia a la compresión en bloques ... 104

Figura 44. Ubicación de soportes para realización ensayo módulo de rotura ... 106

Figura 45. Montaje ensayo módulo de rotura o flexión ... 106

Figura 46. Falla muestra ensayo de rotura o flexión ... 107

Figura 47. Diagrama de cuerpo libre para la deducción de la fórmula del módulo de rotura ... 107

Figura 48. Módulo de rotura o flexión en ladrillos ... 122

Figura 49. Módulo de rotura o flexión en bloques de la ladrillera Ocaña ... 125

Figura 50. Perfiles de temperaturas en el horno de la ladrillera el recreo 2 ... 127

Figura 51. Perfiles de temperaturas en el horno de la ladrillera Ocaña ... 128

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Figura 84.Temperatura de la pared exterior en el horno de la ladrillera el

recreo 2 y Ocaña ... 274

Figura 85. Temperatura de los gases de combustión en el horno de la ladrillera el recreo 2 y Ocaña ... 275

Figura 86. Balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2 ... 277

Figura 87.Balance termodinámico en la ladrillera Ocaña ... 278

Figura 88.Balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2 ... 279

Figura 89.Balance termodinámico en la ladrillera Ocaña ... 280

Figura 90.Balance termodinámico en la ladrillera el recreo 2 y Ocaña ... 288

Figura 91.Concentración de oxígeno emitido ... 292

Figura 92.Concentración de monóxido de carbono emitido ... 293

Figura 93.Concentración de dióxido de carbono emitido ... 293

Figura 94.Concentración de nitrógeno emitido ... 294

Figura 95.Concentración de óxido de nitrógeno emitido en partes por millón ... 294

Figura 96.Corrección de oxígeno de referencia del 18% del óxido nítrico en las ladrilleras ... 295

Figura 97.Exceso de aire en hornos seleccionados ... 297

Figura 98. Eficiencia de la combustión en hornos seleccionados ... 298

Figura 99. Adecuaciones a los hornos a cielo abierto ... 299

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LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo 1. Resultados ensayo tasa de absorción inicial en ladrillos... 326

Anexo 2. Resultados ensayo inmersión durante 24 horas…………. 344

Anexo 3. Resultados ensayo resistencia a la compresión…………. 364

Anexo 4. Resultados ensayo módulo de rotura o flexión……… 448

Anexo 5. Resultados datos de adquisición en la ladrillera el recreo 2……….542

Anexo 6. Resultados datos de adquisición en la ladrillera Ocaña…..571

Anexo 7. Calor por humedad del carbón……….598

Anexo 8. Calor por agua formada en la combustión………603

Anexo 9. Calor por humedad del aire………..609

Anexo 10. Pérdida de calor por las paredes………..613

Anexo 11. Calor por humos……….620

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21 RESUMEN

Título: Hornos de combustión: alternativas de reducción de emisiones e incremento de rentabilidad

Autor: Gustavo Guerrero Gómez

Palabras clave: Hornos, Temperatura, Balance de energía, Emisiones, Rentabilidad

Descripción

La propuesta de este trabajo de grado inicia identificando las empresas ladrilleras dedicadas a la producción de materiales cerámicos en el municipio de Ocaña, detectando la problemática que vive el sector en lo que respecta a la baja calidad de sus productos, el aumento en el consumo de combustible y de emisiones de gases contaminantes a la atmósfera.

Para ello se realizó una serie de ensayos de laboratorio a unas muestras seleccionadas de las ladrilleras para determinar las propiedades físicas y mecánicas de los productos de acuerdo a la norma técnica Colombiana NTC 4205 ,además se realizó la adquisición de datos de temperaturas en el proceso de cocción y enfriamiento a una ladrillera artesanal tipo cielo abierto y a una ladrillera industrial tipo Hoffman para determinar la evaluación termodinámica del proceso de combustión en los hornos seleccionados y se evaluó el requerimiento de aire necesario para la combustión completa en los hornos.

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22 Abstract

Títle: Combustion brick ovens: alternatives of emission reduction and increase of profitability

Author: Gustavo Guerrero Gómez

Keywords: brick ovens, temperature, emissions, energy balance, profitability.

Description

The proposal of this degree work begins identifying the brick companies dedicated to the production of ceramic materials in the municipality of Ocaña, detecting the problems that the sector is experiencing with regard to the low quality of its products, the increase in the consumption of Fuel and emissions of pollutant gases into the atmosphere.

A series of laboratory tests were carried out on selected samples from the brick factories to determine the physical and mechanical properties of the products in accordance with the Colombian technical standard NTC 4205. Performed the acquisition of temperature data in the cooking and cooling process to an open skillet brickwork and a Hoffman industrial brick to determine the thermodynamic evaluation of the combustion process in the selected brick ovens and evaluated the required air requirement for the complete combustion in the brick ovens.

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INTRODUCCIÓN

En el municipio de Ocaña departamento de Norte de Santander se ha desarrollado una industria cerámica importante en producción, pero muy empírica desde el punto de vista tecnológico. Actualmente, la gran mayoría de las ladrilleras realizan un trabajo completamente artesanal. Se estima que la industria cerámica genera una cantidad significativa de empleos directos y una capacidad significativa de 1.027.600 productos tales como ladrillo, bloque y tejas.

Sin embargo, a pesar de los volúmenes de producción, su nivel tecnológico es limitado y encuentra, en este aspecto, su peor enemigo. La falta de controles en los procesos de combustión, los altos índices de emisiones, la no generación de nuevos productos y en general la falta de tecnología que mejore sus procesos de producción, tienen a la industria cerámica de la región en una gran crisis. La competencia se torna compleja y los organismos de gobierno exigen con mayor rigor el cumplimento de normativas en cuanto a la emisión de material particulado al ambiente.

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1. GENERALIDADES DEL PROYECTO 1.1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

El sector cerámico en Colombia no cuenta con tecnificación en sus procesos de producción, conduciendo a que su proceso de combustión sea deficiente y genere problemas ambientales y de salud por sus emisiones contaminantes, así como ocasionando costos innecesarios para las empresas. Un inadecuado proceso de combustión requiere la utilización de mayores cantidades de combustibles y expone a las empresas al pago de multas al no acatar las normas ambientales vigentes.

En la actualidad, la industria de la arcilla del municipio de Ocaña debe cumplir con las exigencias de ley establecidas por las entidades ambientales, las cuales vienen creando y aplicando medidas más estrictas en lo referente al control de las emisiones atmosféricas emitidas desde sus procesos, como por ejemplo lo estipulado en la resolución 909 del 5 de junio de 2008 del ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial y el protocolo para el control y vigilancia de la contaminación atmosférica generada por fuentes fijas de octubre de 2010, por mencionar algunas de interés.

1.2 ANTECEDENTES DEL PROBLEMA.

En el municipio de Ocaña, se encuentran gran cantidad de empresas pertenecientes a la industria de la arcilla, las cuales, en su gran mayoría desarrolla los procesos productivos de forma artesanal, por su bajo costo de construcción y mantenimiento y régimen de operación intermitente, excepto la ladrillera Ocaña que ha tecnificado sus procesos y su régimen de operación es continuo.

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enfriamiento quedan en posición fija durante la totalidad del proceso, poseen una puerta lateral por donde se carga el material.

Estos hornos se cargan con una capa de carbón, posteriormente una de ladrillos y consecutivamente una de carbón y otra de ladrillos y así sucesivamente hasta que se alcanza el tope del horno. Una vez se ha terminado el cargue de productos se enciende el horno. La cocción dura aproximadamente entre 3 y 30 días y la producción de ladrillos es de 3.000 a 20.000 ladrillos por hornada. Estos hornos no poseen controles ni de temperatura, ni de aire y mucho menos combustible. Son de baja producción y baja eficiencia, la cual está afectada por grandes pérdidas de calor en su operación. Son hornos de elevada contaminación debido a una quema no homogénea y a una combustión incompleta. El material producido es de baja calidad, pues algunos ladrillos se pasan de horneo por lo que quedan requemados, mientras otros no alcanzan el punto de cocción y en consecuencia quedan crudos.

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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, cabe indicar que cada cámara tiene su compuerta para la combustión. Estos hornos poseen alta eficiencia térmica y de producción, puesto que reducen enormemente el tiempo de operación, así como también los costos de operación.

1.3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.

Ya planteado el problema surgió la iniciativa de proponer el siguiente interrogante:

¿Es el proceso de fabricación de materiales cerámicos en el municipio de Ocaña productivo y eficiente, al punto que cumpla con los estándares de calidad y garantice las propiedades físicas y mecánicas de los productos?

1.4 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA.

En el municipio de Ocaña desde hace mucho tiempo el proceso de cocción de productos derivados de la arcilla se lleva a cabo en hornos a cielo abierto, construidos de ladrillo común y con mano de obra poco calificada en su fabricación, ocasionando que los gases productos de la combustión salgan directamente al ambiente. Gran cantidad de éstos hornos utilizan como combustible el carbón mineral sin procesar y la alimentación del mismo, en la mayoría de los casos se hace en forma manual.

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A través de ensayos de laboratorio como: la tasa de absorción inicial, la inmersión durante 24 horas, la resistencia a la compresión y un módulo de rotura o flexión, se determinará la calidad de los productos al verificar las propiedades físicas y mecánicas, y con el balance de energía se podrá identificar el funcionamiento del horno. De esta manera, los resultados obtenidos servirán como soporte de investigación en la región y permitirá dar algunas recomendaciones que mejoren la combustión y distribución térmica de los mismos, mientras que con los análisis de gases producto de la combustión, se podrá verificar si cumplen con los valores permitidos según la Resolución 909 del 5 de junio de 2008 del ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial.

Algunos de estos tejares se ubican en áreas cercanas a las zonas urbanas, lo que ocasiona problemas de salud, de convivencia y afectación al paisaje. Con una mejor combustión, se disminuirá la emisión de gases contaminantes al medio ambiente y mejorará la calidad de vida de las comunidades aledañas y el aspecto de la zona.

Con este proyecto se pretende contribuir al mejoramiento de la industria alfarera en el municipio de Ocaña. Esta propuesta contribuye a un mejor aprovechamiento de la energía, disminuyendo el consumo de carbón, la mano de obra y el impacto ambiental que esta produce, y fortaleciendo el campo investigativo de la Universidad Francisco de Paula Santander. 1.5 OBJETIVOS

1.5.1. Objetivo General

Realizar un estudio del proceso de cocción en hornos de combustión de materiales cerámicos ubicados en el municipio de Ocaña, para proponer mecanismos que conlleven a la reducción de emisiones contaminantes en la región y el aumento en la rentabilidad.

1.5.2. Objetivos Específicos

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 Determinar las propiedades físicas y mecánicas de los productos cerámicos, bajo ensayos de flexión, compresión, absorción inicial y absorción final.

 Identificar las etapas del proceso de cocción.

 Determinar los requerimientos energéticos y de aire necesarios para la combustión en los hornos, en las etapas del proceso de cocción.

 Instalar los equipos de adquisición de temperaturas y de datos.

 Monitorizar las temperaturas en el interior del horno en distintas posiciones.

 Realizar el balance general de energía en el horno.

 Realizar estudios de emisión de gases producto de la combustión en el proceso de cocción en los hornos.

 Presentar propuestas basadas en análisis de geometrías y operación del horno para reducir el consumo de combustible y emisiones contaminantes en el horno.

(29)

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2. MARCO REFERENCIAL 2.1 MARCO HISTÓRICO

En el municipio de Ocaña se han realizado estudios generales acerca del sector cerámico, específicamente en la Universidad Francisco de Paula Santander, a través de proyecto de grado, los cuales se detallan a continuación:

Evaluación de las pérdidas de energía en el horno tipo colmena de tiro invertido en la ladrillera Cúcuta. Meneses Calderón, José Agustín, 2003. Análisis termodinámico y simulación de un horno tipo colmena de tiro invertido. Vera duarte, Luís Emilio.2005.

Diagnóstico de los procesos de combustión ejecutados en la industria cerámica en el área metropolitana de San José de Cúcuta, Santiago Pérez, Damián Oswaldo, 2012.

Resistencia de la mampostería reforzada exteriormente usando malla electro soldada con fines de reforzamiento en viviendas de la ciudad de Ocaña. Claro Lázaro, Julián Andrés, 2013.

Estudio la relación entre las propiedades físicas finales de los bloques cerámicos para mampostería encontrando que los métodos utilizados por la empresa impiden el control de las fases de cristalización y transformaciones del material cerámico, contribuyendo a deformaciones y grietas del producto final que generan pérdidas a la empresa. Payares Pérez, Carlos Alberto.2014.

Desarrollo de instrumento virtual enfocado en la adquisición de datos para generar perfiles de temperatura en hornos. Marrugo Carreazo, Daniel Ernesto.2015.

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30 2.2 MARCO CONCEPTUAL

2.2.1. Descripción del proceso productivo. El proceso de producción de materiales cerámicos comprende las siguientes etapas: extracción de la materia prima, trituración, humectación, compactación, extrusión, corte, secado, cocción y apilado. El proceso es manejado en tres medidas estratégicas: la explotación minera, la transformación de la arcilla y la comercialización del producto final. Una de las etapas definitivas de este proceso es la cocción, realizada en los hornos. Para su ejecución, el horno pasa por tres etapas: precalentamiento, quema y enfriamiento; deben controlarse en forma correcta, con el objeto de obtener productos con mínimos defectos y reducir el impacto ambiental, todo con el máximo rendimiento posible y el mínimo consumo de combustible.

2.2.2. Producción de materiales cerámicos. Los procesos por el cual el material cerámico cambia su estructura en función de la temperatura es el siguiente: De 0°C a 400°C se elimina residuo de humedad con dilatación de la pasta; de 400°C a 600°C eliminación del agua combinada, descomposición en óxidos, retracción de la pasta y aumento de porosidad; de 600° C a 900° C formación de un metacaolín inestable; de 900° C a 1.000° C formación de silicatos por reacción de los óxidos; más de 1.000° C transformación molecular de los silicatos cristalizando en agujas y sobre 1800° C fusión del material vitrificando.

2.2.3. Etapa de cocción. Terminado el proceso de secado, las piezas cerámicas se someten al proceso de cocción, en este tratamiento térmico los productos pasan por una serie de transformaciones fisicoquímicas complejas, las cuales se reflejan en cambios dimensionales, color de la pieza terminada, así como la vitrificación (relacionada a la porosidad y a la resistencia mecánica).

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2.2.3.1. Caldeo. Fase en el cual se elimina el agua residual no eliminada en el secado, esta eliminación debe ser gradual o si el contenido del agua es muy elevado puede producirse roturas debido a la contracción. Dependiendo de la cantidad, tipo de material y humedad que contenga esta etapa puede durar entre 18 y 20 horas para llevar la temperatura desde 30 ºC hasta 150 ºC. En esta primera etapa de cocción cualquier irregularidad en el calentamiento produce vapor a alta presión en ciertas partes de la pieza que puede fracturarla. La eliminación del agua deberá ser realizada por completo a una temperatura lo más baja posible, ya que el vapor de agua formado bloquea las reacciones de oxidación y descomposición que comienza alrededor de los 400 °C.

2.2.3.2. Precocido. Etapa en que se oxida el material orgánico y ocurre la deshidroxilación de la arcilla esto ocurre entre 150 ºC hasta 450 ºC, lo cual puede durar entre 14 y 16 horas.

2.2.4. Etapa de cocción. También se denomina de fuego rápido o apurado, el rango de temperaturas es desde 450 ºC hasta 950 ºC o 1.050 ºC.

Entre los 450 °C y 650 °C se elimina el agua químicamente combinada, se modifica la estructura del material arcilloso, produciendo una contracción y un endurecimiento irreversible. A los 573 °C tiene lugar la transformación alotrópica del cuarzo produciéndose una dilatación. Este proceso es reversible y tiene gran importancia en la etapa de enfriamiento.

Entre 680 °C y 800 °C tiene lugar la descarbonatación de las arcillas calcáreas, que consiste en el desprendimiento rápido de CO2, puede

producir roturas o burbujas, esta debe finalizar antes de iniciar la vitrificación para evitar florescencias posteriores. Esta etapa puede durar entre 30 y 36 horas, luego el horno es puyado (apurado térmicamente) hasta alcanzar la temperatura de 1.020 ºC.

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fundibles producen cantidades crecientes de líquidos, a medida que aumenta la temperatura. Este líquido al enfriarse forma una capa cristalina. El grado de vitrificación depende de las propiedades mineralógicas, composición química, distribución granulométrica y la composición del mineral no arcilloso.

Para mejorar y darle mayor brillo a esta capa, cuando el horno ha alcanzado los 1.020 °C, se le agrega cierta cantidad de agua-sal, que por efecto de la alta temperatura se volatiliza y reacciona en la atmósfera del horno descomponiéndose en oxido de sodio y ácido clorhídrico, que se deposita sobre el material formando una capa de barniz salada y sutil (0,01mm) que es resistente al ataque de los ácidos.

En el proceso de cocción deben controlarse las curvas temperatura - tiempo, si se desea buena calidad y bajo desperdicio de material: Debe tenerse especial cuidado cuando se llega a la proximidad de los 270 °C y 573 °C, puntos donde existen transformaciones químicas reversibles. Las curvas temperatura – tiempo se basan en algunos casos en la curva dilatométrica de la pasta, y se debe tener en cuenta que a mayor cambio de tamaño por grado temperatura, debe ser menor la velocidad de calentamiento o de enfriamiento.

2.2.4.2. Etapa de enfriamiento. El enfriamiento satisfactorio de las piezas maduras está vinculado a la consideración de aquellas transformaciones fisicoquímicas que puedan ocurrir. Un enfriamiento rápido puede dar lugar a la aparición de tensiones que ocasione agrietamiento, bien sea inmediatamente o durante los primeros días después de la extracción del horno.

En esta etapa de enfriamiento hay que tener en cuenta los cambios bruscos de temperatura y evitarse velocidades de enfriamiento superiores a los 10 °C/h , ya que pueden puede producir tensiones dentro de la pieza que causen agrietamientos.

(33)

33

C652, C62) y las unidades (bloque) de perforación vertical de arcilla para mampostería estructural deben cumplir con la norma NTC 4205 (ASTM C34).

La norma técnica colombiana NTC 4205 Unidades de mampostería de arcilla cocida, ladrillos y bloques cerámicos establece los requisitos que deben cumplir los ladrillos y bloques cerámicos utilizados como unidades de mampostería y fija los parámetros con

que se determinan los distintos tipos de unidades.

La norma técnica Colombiana NTC 4017 Métodos para muestreo y ensayos de unidades de mampostería y otros productos de arcilla cubre los procedimientos de muestreo y ensayo de unidades de mampostería de arcilla, bloques de arcilla y de otros productos tales como adoquines y tejas. Los ensayos incluyen tasa de absorción inicial, inmersión durante 24 horas, resistencia a la compresión y módulo de rotura o flexión. 2.2.5.1. Absorción de agua o densidad del producto. El contenido de humedad es la masa de agua por unidad de volumen, la cual puede ser expresada en términos absolutos o en términos relativos a la densidad de la unidad cuando está seca.

(34)

34

encima del valor mínimo del 5% y por debajo del valor máximo del 17%1.

2.2.5.2. Resistencia mecánica. Esta propiedad también se relaciona en forma muy directa con el grado de sinterización logrado durante la cocción, en esta se mide la resistencia a la compresión y el módulo de rotura o flexión.

La resistencia a la compresión de los ladrillos (f’cu) depende del material y del tipo de unidad. Por lo general, los valores de las resistencias a la compresión en unidades disminuyen drásticamente cuando hacen parte de los muros de mampostería. En la tabla 1, se muestran los valores de las resistencias a compresión de algunas unidades de mampostería. Tabla 1. Resistencia a la compresión de diferentes unidades de mampostería2.

MATERIAL INTERVALO, 𝐟′

𝐂𝐔( 𝒕𝒐𝒏

𝒎𝟐)

Piedra 4.000 < f´cu < 10.000

Hormigón Macizo 1.500 < f´cu < 2.500

Arcilla 500 < f´cu < 2.000

Hormigón Aligerado 400 < f´cu < 600

Adobe 100 < f´cu < 150

Fuente: J. Claro Lázaro

Según la norma NTC 4205 la resistencia mínima promedio para ladrillo de mampostería no estructural es de 14 MPa ,mientras que para las unidades de perforación horizontal H-10 establece una resistencia a la compresión mínima de 2,94 MPa y el módulo de rotura o flexión de 1,40 MPa.Si se tiene en cuenta que la resistencia a la flexión varía entre el 10 % al 30 % de la resistencia a la compresión3 establece una resistencia a

la compresión mínima de 10 MPa, lo cual indica que tomando el intervalo

1 Instituto Colombiano De Normas Técnicas NTC, «Métodos para Muestreo y Ensayos de Unidades de

Mampostería y Otros Productos de Arcilla NTC4017),» Bogota D.C., 2005.

2 J. Claro Lazaro, Resistencia de la mampostería reforzada exteriormente usando malla electrosoldada con

fines de reforzamiento en viviendas de la ciudad de ocaña, Ocana: Universidad Francisco De Paula Santander Ocana, 2013.

3 C. Takeuchi, Comportamiento en la mampostería estructural, Bogota D.C.: Universidad Nacional

(35)

35

bajo de resistencia se esperan resistencia a la flexión entre 1.0 a 1.4 MPa4, mientras que para las unidades de perforación horizontal H-10

establece una resistencia a la flexión en el rango de 0,29 MPa a 0,88 MPa.

2.2.6. Combustión. El objetivo de una buena combustión es liberar y aprovechar todo el calor y la energía del combustible, tratando de minimizar pérdidas debidas a imperfecciones de combustión y aire superfluo. Para que exista una buena combustión debe existir suficiente temperatura para iniciar el proceso, turbulencia que permita una mezcla íntima entre las moléculas de oxígeno y elementos combustibles y suficiente tiempo para completar la combustión5.

La mayoría de los combustibles, al margen de que sean sólidos, líquidos o gaseosos, están compuestos, básicamente, por carbono e hidrógeno; además de estos componentes principales tienen otros como azufre, humedad, cenizas, etc. 3.

El aire para los procesos de combustión en hornos, es la fuente de suministro de oxígeno, en el cual incluye también el nitrógeno, vapor de agua y una fracción muy pequeña de gases inertes como argón y helio3.

El análisis de gases es muy útil para evaluar la calidad de la combustión y determinar las cantidades de aire y gases requeridas y producidas en un proceso de combustión3. Los aspectos a determinar son

principalmente el aire necesario para la combustión y los productos de la combustión y su composición.

Para predecir estas cantidades es preciso referirse a un proceso ideal que dependa de unos pocos parámetros, básicamente la naturaleza del combustible. Para definir este proceso ideal se consideran los tipos de combustión que pueden darse.

4 Instituto Colombiano De Normas Técnicas NTC, «Unidades de Mampostería de Arcilla Cocida. LAdrillos y

Bloques Cerámicos (NTC 4205),» Bogota D.C., 2000.

5 D. Santiago Perez y H. Cañizares Torres, Diagnostico de los Procesos de Combustión Ejecutados en la

(36)

36

La combustión completa conduce a la oxidación total de todos los elementos que constituyen el combustible. En el caso de los combustibles los elementos que lo conforman son carbono, hidrógeno, azufre, nitrógeno, oxígeno, cenizas y humedad. Los productos resultantes de la oxidación son dióxido de carbono, vapor de agua, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno y material particulado5.

Mientras que en la combustión incompleta los componentes del combustible no se oxidan totalmente por lo que aparecen los denominados inquemados, los más importantes son monóxido de carbono e hidrógeno, otros posibles inquemados son carbono y restos de combustible, etc.5.

El oxígeno insuficiente es una razón obvia para la combustión incompleta, pero no la única. La combustión incompleta sucede incluso cuando en la cámara de combustión hay más oxígeno del necesario para la combustión completa. Esto puede atribuirse al mezclado insuficiente en la cámara de combustión durante el limitado tiempo en que el oxígeno y el combustible quedan en contacto. Otra causa de combustión incompleta es la disociación, la cual se vuelve importante a elevadas temperaturas6.

El oxígeno es atraído con mayor fuerza hacia el hidrógeno que hacia el carbono. Por consiguiente, el hidrógeno en el combustible normalmente se quema por completo, formando agua, aun cuando exista menos oxígeno del necesario para la combustión completa. No obstante, una parte del carbono termina como monóxido de carbono o como simples partículas de hollín en los productos6.

2.2.6.1. Aire estequiométrico o teórico. Es la cantidad mínima de aire necesaria para la combustión completa de un combustible. De manera

5 D. Santiago Perez y H. Cañizares Torres, Diagnostico de los Procesos de Combustión Ejecutados en la

Industria Céramica en el Área Metropolitana de San Jose de Cucuta, Cucuta: Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, 2012.

6P. Fernández Díez, 2014. [En línea]. Available: http://files.pfernandezdiez.es/Termodinamica/PDFs/16Termod.pdf. [Último acceso: 20 Noviembre 2014].Y. A. Cengel y M. A. Boles, Termodinámica, Mexico: McGraw Hill, 2012.

(37)

37

que cuando un combustible se quema por completo con aire teórico, no estará presente el oxígeno sin combinar el producto de los gases. El aire teórico también se conoce como cantidad de aire químicamente correcta o aire 100 por ciento teórico. Un proceso de combustión con cantidad de aire menor está condenado a ser incompleto. El proceso de combustión ideal durante el cual un combustible se quema por completo con aire teórico se conoce como combustión estequiométrica o teórica del combustible7.

2.2.6.2. Exceso de aire. En los procesos de combustión reales es una práctica común emplear más aire que la cantidad estequiométrica, con el fin de aumentar las oportunidades de combustión completa o para controlar la temperatura de la cámara de combustión7.

El exceso de aire evita la formación de inquemados sólidos y gaseosos como monóxido de carbono e hidrocarburos, sin embargo el exceso no puede ser grande se debe controlar el porcentaje de exceso de oxígeno en la salida de los productos, puesto que se pierde mucha energía del carbón en calentar nitrógeno del aire que se escapa al medio ambiente sin su aprovechamiento5.

La cantidad de aire en exceso de la cantidad estequiométrica se llama exceso de aire, esta suele expresarse en términos del aire estequiométrico como exceso de aire porcentual o aire teórico porcentual o también en términos de la relación de equivalencia, la cual es la proporción entre la relación real combustible y aire y la relación estequiométrica combustible y aire. Cantidades de aire menores que la cantidad estequiométrica reciben el nombre de deficiencia de aire, y se expresan a menudo como deficiencia de aire porcentual7.

(38)

38 queman3.

2.2.6.4. Eficiencia del horno. Una forma de evaluar la eficiencia del horno es calculando la energía consumida del material con respecto a la energía de entrada por parte del combustible, de esta forma se obtiene la energía que está aprovechando el horno para procesar el material producido, el resto de energías son pérdidas57.

2.2.7. Normativa ambiental en Colombia. En Colombia el ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial por medio de la resolución 909 estableció normas y estándares de emisión admisibles de contaminantes a la atmósfera por fuentes fijas al sector industrial cerámico ya que en sus procesos de producción generan gases contaminantes que deterioran el ambiente. La normatividad más importante contemplada en la resolución 909 es la siguiente:

2.2.7.1. Estándares de emisión. Los estándares de emisión admisibles para las industrias existentes de fabricación de productos de cerámica refractaria, no refractaria y de arcilla a condiciones de referencia y con oxígeno de referencia del 18% se establecen en el artículo 30 de la resolución 909, (Ver tabla 2). Dichos estándares deben cumplirse en cada uno de los puntos de descarga de las industrias para la fabricación de productos de cerámica refractaria, no refractaria y de arcilla.

Tabla 2. Estándares de emisión admisibles de contaminantes al aire para las industrias de fabricación de productos de cerámica8

Estándares de emisión admisibles (mg/m3)

5 D. Santiago Perez y H. Cañizares Torres, Diagnostico de los Procesos de Combustión Ejecutados en la

Industria Céramica en el Área Metropolitana de San Jose de Cucuta, Cucuta: Universidad Francisco de Paula Santander Ocaña, 2012.

7 Y. A. Cengel y M. A. Boles, Termodinámica, Mexico: McGraw Hill, 2012.Ibíd.

8 Ministerio De Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, Resolución 909, Bogota D.C., 2008.

(39)

39 Combustible Material

particulado SO2 NOx

Solido 250 550 550

Liquido 250 550 550

Gaseoso NO APLICA NO APLICA 550

Fuente: Ministerio De Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, Resolución 909, Bogotá D.C., 2008.

2.2.7.2. Temperatura de los gases. La temperatura de los gases emitidos por las industrias de fabricación de productos de cerámica refractaria, no refractaria y de arcilla para hornos continuos no debe exceder 180 ºC. Para el caso de hornos discontinuos la temperatura no debe exceder 250 ºC durante la etapa de máximo consumo de combustible9, esto lo establece el artículo 30 de la resolución 909 y la

resolución 802 de 2014 emanada por el ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial.

2.2.7.3. Características de las mediciones directas en hornos. Las mediciones directas en hornos discontinuos de industrias de fabricación de productos de cerámica refractaria, no refractaria y de arcilla, debe realizarse de acuerdo a lo establecido en el Protocolo para el Control y Vigilancia de la Contaminación Atmosférica Generada por Fuentes Fijas según lo establecido en el artículo 34 de la resolución 909.

(40)

40

tipos y cantidad de contaminantes emitidos por las diferentes empresas que se encuentran en su área de jurisdicción.

Los métodos de evaluación de emisiones contaminantes a la atmósfera de acuerdo con lo establecido en los decretos y resoluciones planteados en el marco legal incluyen medición directa, balance de masas y factores de emisión.

2.2.8.1. Medición directa. La medición directa se realiza a través de procedimientos donde se recolecta una muestra usando equipos muestreadores para su posterior análisis o mediante el uso de analizadores instrumentales en tiempo real. En este caso se utiliza el método del analizador instrumental utilizando el analizador de gases de combustión, el cual mide directamente la concentración de los contaminantes en la chimenea o ducto de emisión y reporta los valores de las emisiones de manera inmediata.

2.2.8.2. Métodos empleados para la medición directa. Los métodos empleados para evaluación de mediciones de emisiones de contaminantes. Promulgados por el Código Federal de Regulaciones de los Estados Unidos (CFR) pueden verse en la tabla 3.

Tabla 3. Métodos empleados para evaluación de mediciones de emisiones de contaminantes

Métodos Descripción

Método 1 Ubicación del punto de muestro y Número de puntos de medición.

Método 2 Determinación de la velocidad de los gases de la chimenea.

Método 3

Análisis de las emisiones para determinar el porcentaje de dióxido de carbono (CO2), oxígeno (O2), monóxido de carbono (CO) y peso molecular seco. (Procedimiento del analizador instrumental)

Método 4

(41)

41 Método 5

Determinación de las emisiones de monóxido de carbono en fuentes fijas (Procedimiento del analizador instrumental)

Método 6 Determinación de la emisión de material particulado en chimeneas o ductos de fuentes fijas.

Fuente: Ministerio De Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, Resolución 909, Bogotá D.C., 2008

2.2.8.3. Ubicación del punto de muestro y número de puntos de medición. Según el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios el número de pruebas o corridas para la ejecución de los métodos para la evaluación de emisiones de contaminantes en Fuentes fijas utilizando el método del Analizador instrumental es de 3 corridas. Donde una corrida es igual a un número de 4 mediciones cada 15 minutos.

2.3 ESTADO ACTUAL

La población objeto del trabajo está constituida por 30 chircales activos que se encuentran en el municipio de Ocaña, departamento Norte de Santander, el área de estudio comprende el Municipio de Ocaña con una extensión aproximada de 7.74 Km2,los chircales activos ubicados en

diferentes zonas del casco urbano de la ciudad producen aproximadamente 1.027.600 productos/mes, los cuales se caracterizan por emplear procesos manuales y rudimentarios en las diferentes etapas para la fabricación de estas piezas de mampostería.

(42)

42

Tabla 4. Inventario de las empresas de dedicadas a la explotación y transformación de arcilla en el municipio Ocaña10

N º Nombre del Chircal Vereda, corregimi ento o Barrio Tipo de Horno Tot al Capacidad (Ladrillo-teja) Producto final de transforma ción Cantidad de Producto Transfor mado Mensual

1 Bolívar El Hatillo

Cuadra do y circular

4 4.000 – 9.000 – 12.000 Ladrillo 20.000

2 La palma El Hatillo Cuadra

do 3 5.000 – 6.000 Ladrillo 10.000 3 Sánchez El Hatillo Cuadra

do 3

10.000 –

15.000 Ladrillo 15.000 4 Los

espineles El Hatillo Circular 1 4.000 Ladrillo 12.000 5 Bética La Pradera Cuadra

do 2 6.000 Ladrillo 10.000 6 Los

Lemus El Hatillito

Cuadra do 4

8.000 –

10.000 Ladrillo 20.000 7 Los

Sánchez El Hatillito

Cuadra

do 5 5.000 – 6.000 Ladrillo 10.000 8 La

pradera El Hatillito

Cuadra

do 6 8.000 Ladrillo 16.000 9 Los raros El Hatillo Cuadra

do 2

8.000 –

10.000 Ladrillo 16.000 1 0 Pasos abajo del terminal La Carbonera Cuadra

do 2 4.000 – 8.000 Ladrillo 8.000

10 Alcaldia Municipal De Ocaña, «Plan Basico de Ordenamiento Territorial PBOT,» Ocana, 2011.

(43)

43 N º Nombre del Chircal Vereda, corregimi ento o Barrio Tipo de Horno Tot al Capacidad (Ladrillo-teja) Producto final de transforma ción Cantidad de Producto Transfor mado Mensual 1

1 Los raros El Carbón

Cuadra

do 2 5.000 – 7.000 Ladrillo 12.000 1

2

Granito de

oro El tejar

Cuadra

do 1 9.000 Ladrillo 9.000

1 3

Las

violetas El tejar

Cuadra

do 1 3.000 Teja 3.000

1 4

El Recreo

2 El tejar Circular 1 4.300 Ladrillo 8.600 1 5 Los mellos La Circunvala r Cuadra

do 2 7.000 -9.000 Ladrillo 16.000 1

6 El Recreo

Los Guayabito

s

Cuadra do 3

6.000 –

15.000 Ladrillo 21.000 1 7 Los Guayabos Los Guayabito s

Circular 2 5.000 Ladrillo 10.000

1

8 Estanco El Estanco

Cuadra do y circular

4 7.000 – 4.000 – 11.000 Ladrillo 15.000 1

9 Estanco 1 El Estanco

Cuadra do 4

7.000–12.000

– 16.000 ladrillo 28.000 2

0 Estanco 2 El Estanco

Cuadra do 3

9.000 –

10.000 Ladrillo 19.000 2

1 Estanco 3 El Estanco Circular 3

6.000 – 10.000- 16.000

(44)

44 N º Nombre del Chircal Vereda, corregimi ento o Barrio Tipo de Horno Tot al Capacidad (Ladrillo-teja) Producto final de transforma ción Cantidad de Producto Transfor mado Mensual 2

2 Ocaña

La Rinconada

Hoffma

n 1 986 Apiles

Bloque de mamposterí

a

611.320 2

3 El Bosque El Ramal

Cuadra do y circular

2 10.000 Ladrillo 10.000 2

4

San

Antonio El Ramal

Cuadra do 1

10.000 – 20.000 Ladrillo, teja y baldosa 20.000 2

5 El Líbano

Vía a Aguas Claras

Cuadra

do 2 4.000 – 5.000 Ladrillo 10.000 2

6 Los Pinos

Aguas Claras

Cuadra

do 3 4.000 Ladrillo 12.000 2

7

San

Fernando San Luis

Cuadra do y circular

4 5.000 –

10.000 Ladrillo 10.000 2

8

Villa

Venecia La Ermita

Cuadra do 2

8.000 –

12.000 Ladrillo 32.000 2

8 El tejar Bética Circular 2 3.000 – 5.000 Ladrillo 5.000 3

0

Buenavist

a Buenavista Circular 3 6.000-7000

Ladrillo y

teja 13.000 Fuente: Alcaldía Municipal De Ocaña, Plan Básico de Ordenamiento

Territorial PBOT

(45)

45

condiciones actuales de operación y se evidencia que los chircales existentes en el municipio de Ocaña, poseen hornos a cielo abierto que pierden la mayor parte de la energía térmica producida por el combustible y tienen capacidades de producción de bloque común, ladrillo H-10 y tejas que oscilan entre 5.000 a 10.000 ladrillos, excepto la ladrillera Ocaña que posee un horno continuo con una producción de 611.320 bloques. Estos hornos se caracterizan por tener dos cámaras de combustión, una se encuentra en la parte inferior seguida de la cámara de cocción, existe una parrilla que divide ambas cámaras y sirve como base para cargar los productos a quemarse.

La descripción de las características físicas y d e funcionamiento de los hornos tradicionales utilizados en el municipio de Ocaña son: los hornos no fueron construidos con materiales refractarios y aislantes, conduciendo a grandes pérdidas de calor al medio ambiente cuando se operan, pérdida que se ocurre por la parte superior y en las paredes de la cámara de cocción, quemándose más combustible de lo que se requiere e igualmente, se incrementa el tiempo de operación. En la cámara de cocción no hay una distribución uniforme de temperatura, existiendo un gradiente apreciable de la misma. Además, no poseen controles de temperatura, ni del proceso de combustión ni para los controles de aire y combustible.

El combustible que se utiliza es carbón mineral sin procesar y aserrín, cuya alimentación en la mayoría de los casos se hace en forma manual. Los hornos no pueden quemar completamente el combustible, es decir no existe combustión completa por falta de oxígeno, originado por la ausencia de chimenea que mejoraría el tiro en el horno, y como consecuencia directa de ello es que no aprovecha eficientemente el combustible. Los gases productos de la combustión salen directamente al ambiente; algunos de estos tejares se ubican en áreas cercanas a las zonas urbanas, ocasionando problemas de salud, de convivencia y afectando el paisaje.

(46)

46

acondicionados para depositar los residuos sólidos de cenizas, ladrillos y tejas rotas. Tampoco hay programas para el reciclaje de estos materiales que pueden ser usados como abonos, en el caso de las cenizas y como insumos de la misma industria cerámica.

Como consecuencia de las quemas deficientes se ofertan productos de baja calidad, pues la mezcla de cerámica no llega a la quema completa, quedando con un alto nivel de porosidad, baja resistencia al golpe, cizallamiento, abrasión y tracción. Sin contar la presencia de gránulos calcáreos o “caliche” que al quemarse generan nódulos de cal que por higroscopia rompen las estructuras de los ladrillos11.

2.4 MARCO CIENTÍFICO Y TECNOLÓGICO

La Existencia de referencias como el proyecto eficiencia energética en ladrilleras artesanales1212,promueve modelos integrales de desarrollo

tecnológico entre productores de ladrilleras artesanales de América Latina. Este proyecto es muy importante, pues en su propósito busca implementar tecnologías más eficientes e innovadoras que ayuden a disminuir el uso de materias primas, menos consumo de energía y preservación del suelo, así como a implementar combustibles menos contaminantes para contribuir al mejoramiento de la calidad de sus ladrillos y entrada fuerte al mercado.

Según el proyecto de orientación del uso eficiente de la energía y de diagnóstico energético de la Unidad de Planeación Minera Energética1313

, en el que se establece que la industria ladrillera Colombiana tiene un atraso con respecto a estándares internacionales desde los principios de los años 90 debido a la demanda en la construcción, las empresas

11 E. O. Cuellar Henriquez y J. C. Portillo Barrera, Evaluación de la Resistencia a la Fractura de los Ladrillos de Barro Fabricados por Compresión, San Salvador: Universidad Centroamericana Jose Simeon Cañes, 2006.

12 Agencia Suiza para el desarrollo y comperacion.,programa de eficiencia energetica en ladrilleras

artesanales de america latina para mitigar el cambio climatico.

(47)

47

industriales tuvieron que tecnificar sus procesos con el fin de aumentar la calidad del producto, producción y disminuir costos a través de sistemas tecnificados de producción como uso de máquinas de extrusión de alta calidad y eficiente, implementación de secaderos naturales por artificiales, hornos más eficientes, los cuales consumen menos energía y aumentan la capacidad de producción1414. También gestiona buenas

prácticas orientadas al uso eficiente de la energía en la industria de cerámicos. En el caso de los hornos, se presentan pautas que se deben tener en cuenta como son: controlar la temperatura de operación en los hornos de acuerdo a lo requerido por los procesos; programar la operación de los hornos a fin de minimizar la frecuencia de puesta en marcha y parada; regular el aire-combustible de quemadores en forma periódica; reparar y reforzar el aislamiento de las paredes del horno; y usar el calor residual para calentar el aire de combustión o proporcionar calor al proceso productivo.

Por otra parte, el ministerio de energía y minas señala que en el sector industrial cerámico han visto grandes ahorros en facturación: de 4% - 12% en energía eléctrica; 3% - 15% en energía térmica. Tal potencial varía dependiendo del tamaño de la instalación, la naturaleza de los servicios y la política de gestión de energía en la institución.

2.5 DISEÑO METODOLÓGICO

2.5.1. Descripción de las ladrilleras seleccionadas. Los hornos utilizados actualmente en el sector cerámico en el municipio de Ocaña son hornos artesanales a cielo abierto y construidos de ladrillo común, excepto el horno continuo tipo Hoffman de la ladrillera Ocaña, y como estrategia de establecer las mejores prácticas que permitan la disminución del consumo de combustible, reducir el consumo de energía y disminuir la emisión de gases al ambiente se pueden realizar una serie de innovaciones o mejoras que se pueden aplicar fácilmente y tienen bajo costo de implementación, es posible introducir cambios operativos que conlleven a cambiar el diseño del horno que conduzca a la

14 Ministerio de Minas y. Energía,

(48)

48

reutilización de los gases de escape para ellos sería dirigirlos hacia el interior de otro horno ya preparado y cargado,) causando que los gases pasan a través del interior del horno antes de ir a la chimenea, así los gases calientes harían intercambio de calor entre sí, proporcionando un precalentamiento de la siguiente carga de productos y el secado de los productos. La producción de los hornos será de forma secuencial y en ciclos, elevando su temperatura y logrando que el gradiente de temperatura sea vertical. Este cambio requiere sólo unas pocas obras en la ladrillera.

Teniendo en cuenta lo anterior en el balance termodinámico se escogieron dos empresas ladrilleras para el estudio, una artesanal, la ladrillera el Recreo 2 que posee un horno circular a cielo abierto y la ladrillera Ocaña, que cuenta con un horno continuo tipo Hoffman de forma rectangular, en la que se reutilizan los gases producto de la combustión.

(49)

49 Figura 1. Horno ladrillera el recreo 2

Fuente: S. A. Jacome Manzano

2.5.1.1.1. Proceso de producción. En el horno de la ladrillera el recreo 2 el proceso de producción se realiza de forma artesanal. El proceso inicia con la preparación de la arcilla en la que se utiliza una pileta con tierra seca y luego se deposita cierta cantidad de agua y se deja reposar por un determinado tiempo para que el material se logre humedecer. El proceso de mezclado utilizado es colocar a caminar caballos por un tiempo de dos horas, (Ver figura 2), para lograr que la arcilla quede en su punto adecuado para luego ser almacenada y moldeada.

Figura 2. Preparación de la arcilla

Fuente: S. A. Jácome Manzano

(50)

50 Figura 3. Moldeo del ladrillo

Fuente: S. A. Jácome Manzano

Para el secado de los ladrillos, como no se cuenta con secaderos artificiales los ladrillos se dejan a la exposición directa con el sol para un secado natural (Ver figura 4), que por obvias razones puede durar varios días dependiendo de las condiciones climatológicas.

Figura 4. Secado de los ladrillos

Fuente: S. A. Jácome Manzano

(51)

51

para la combustión en los espacios que quedan entre los ladrillos, (Ver figura 5).

Figura 5. Cargue del ladrillo y combustible

Fuente: S. A. Jácome Manzano

En el proceso de cocción, al terminar de cargar el horno se sella la puerta de cargue y descargue de productos a través de una pared de ladrillos, (Ver figura 6). Se da inicio a la combustión inyectándole aire por medio de un ventilador, hasta que se halla quemado todo el carbón mineral. Luego se abre la puerta del horno y se deja un periodo de enfriamiento para poder sacar el ladrillo.

Figura 6. Sellado de la puerta de cargue y descargue de productos

(52)

52

2.5.1.2. Descripción ladrillera Ocaña. La ladrillera Ocaña está ubicada en el municipio de Ocaña, departamento Norte de Santander, Colombia, a una altitud de 1.212 metros sobre el nivel del mar, bajo las coordenadas N 1075629 y W 1402587 con una temperatura promedio de 21°C. La ladrillera Ocaña está dedicada a la producción en serie de ladrillos para la construcción. Para ello cuenta con un horno tipo Hoffman de proceso continuo que está compuesto de 24 cámaras o puertas (12 en cada lado), (Ver figura 7). En cada puerta se le introduce hasta 5 apiles, de 620 ladrillos aproximadamente por apile, con una separación de 60 cm entre cada apile de ladrillos. El combustible utilizado para la cocción del material es carbón pulverizado, con un consumo de carbón por mes es de 170 Ton

mes .

Figura 7. Esquema horno Hoffman

Fuente: S. A. Jácome Manzano

(53)

53 Figura 8. Banda transportadora

Fuente: S. A. Jácome Manzano

La disminución de tamaño de grano de la arcilla la realizan en el desterronador y el desintegrador. Estos equipos transforman la materia prima en granulometrías entre 5 a 20 mm, el equipo prepara de 15 a 30 toneladas de arcilla por hora, (Ver figura 9).

Figura 9. Desterronador

(54)

54

Para la homogenización y mezclado de la arcilla se utilizan dos amasadoras, (Ver figura 10), que conducen la acilla final para entrar a la extrusora.

Figura 10. Amasadora

Fuente: S. A. Jácome Manzano

Para la extrusión de los bloques, la mezcla de arcilla cae por la parte superior de la extrusora, compuesta de un sistema de dos ejes paralelos con paletas y un tornillo sin fin que reciben la mezcla y se encargaran de impulsarla para la extrusión de la arcilla en un ladrillo compacto.

(55)

55 Figura 11. Cortadora automática

Fuente: S. A. Jácome Manzano

Después de la extrusión de los bloques, estos se llevan al secadero para disminuirles el porcentaje de humedad. Esto se realiza a través de un extractor que se encarga de inyectar o conducir los gases productos de la combustión al secadero. Luego se dispone a cárgalos en apiles en el horno bajo una configuración establecida, (Ver figura 12). Posteriormente se dispone a sellar las puertas con una pared provisional, (Ver figura 13).

Figura 12. Configuración apile de bloques

(56)

56

Figura 13. Puerta de cargue y descargue de bloques

Fuente: S. A. Jácome Manzano

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Figura 14. Orificios de inyección de combustible en el horno Hoffman

Fuente: Autor

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adquisición E/S NI 9213 ensamblada al Chasis NI cDAQ-9184 soportadas por National instruments, permitirá el procesamiento analógico-digital de la información recibida de los termopares instalados, para luego ser almacenadas a través del software Lab view en el reporte de adquisición y generar los perfiles de temperatura.

Los equipos de adquisición de temperatura, se colocan en un cuarto de monitoreo ubicado a una distancia cercana al horno seleccionado para la adquisición a través del cable de conexión, (Ver figura 15), Los equipos están conectados a la tarjeta de adquisición NI 9213 ensamblada al Chasis NI cDAQ-9184, para realizar el procesamiento analógico-digital de la información recibida por los termopares instalados, para luego ser almacenadas a través del software Lab view en el reporte de adquisición y generar los perfiles de temperatura. Figura 15. Ubicación equipos de monitoreo

Fuente: S. A. Jácome Manzano

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59 Figura 16. Pantalla de bienvenida

Fuente: D. E. Marrugo C

En la pantalla de testeo del sistema embebido se ejecuta un código que verifica si la conexión del sistema embebido está conectada al módulo de adquisición E/S NI 9213 y a su vez al chasis NI 9184 y al computador. Si no está conectado, aparecerá un cuadro de dialogo que le informa que el chasis no está disponible para la adquisición, (Ver figura 17).

Figura 17. Pantalla de testeo del sistema embebido

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En la ventana de reporte se muestra la barra de estado, de progreso y control de visualizaron de las gráficas de temperaturas individuales y las gráficas por bloque. El programa diseñado, muestra en la pantalla de monitoreo como se van realizando los perfiles de temperatura en tiempo real de las posiciones donde se ubicaron los termopares, (Ver figura 18). La ventana de configuración permite seleccionar el número de termopares a censar y el intervalo de tiempo o “delay” entre cada toma de temperatura y el informe de adquisición se genera en un archivo tipo .xlsx (Microsoft Excel)15

Figura 18. Monitor de temperaturas del instrumento virtual de la adquisición en la ladrillera el recreo 2

Fuente: Autor

2.5.3 Montaje de los instrumentos de medición. Los termopares utilizados para la medición de temperatura se montan en posiciones

15 D. E. Marrugo C, Desarrollo de un Instrumento Virtual para la Generación de perfies de Temperatura en

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representativas para realizar posteriormente el balance termodinámico. Para registrar las temperaturas internas presentadas en el proceso de cocción de cada horno seleccionado, se instalaron termopares de bulbo de aleación de cromo aluminio tipo K con aislamiento cerámico y para registrar las temperaturas externas en el horno se seleccionan termopares de alambre tipo K con recubrimiento “fiberglass” a 900 °F. Los equipos de adquisición de temperatura en el horno de la ladrillera el Recreo 2 se instalan en la casa aledaña al horno a una distancia de 9 m de la puerta de cargue y descargue de productos. Se censan para este caso 8 posiciones en el horno. Se utiliza una tarjeta o bloque de adquisición en la que se colocan 8 termopares. Para la medición de las temperaturas interiores se utilizan 4 termopares de bulbo, los cuales se instalaron simultáneamente con el proceso de cargue de ladrillos en el horno y 4 termopares de alambre que registraron las temperaturas exteriores, los cuales se instalaron al mismo tiempo en que se sellaba la puerta de cargue de productos.

La ubicación de los termopares fue de la siguiente manera: T1

temperatura del centro interior, T2 temperatura del piso interior, T3

temperatura de la pared interior, T4 temperatura de los gases, T5

temperatura centro exterior, T6 temperatura del piso exterior, T7

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Figura 19. Ubicación de los termopares utilizados en el horno de la ladrillera el recreo 2

Fuente: S. A. Jácome Manzano

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Figura 20. Ubicación de los termopares utilizados en el horno de la ladrillera Ocaña

Fuente: S. A. Jácome Manzano

Figura 21. Ubicación de los termopares utilizados en el horno de la ladrillera Ocaña

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3. RESULTADOS Y ANÁLISIS

El estudio tomó la población de los chircales que rodean la ciudad. Se realizaron 4 ensayos para la evaluación de las propiedades mecánicas de los ladrillos macizos y bloques cerámicos. Para cada ensayo se seleccionaron 5 muestras de ladrillos para un total de 375 muestras. Se realizó la adquisición de datos de temperatura, el balance termodinámico y el requerimiento de aire necesario para la combustión en el horno circular a cielo abierto de la ladrillera el recreo 2 y el horno continuo tipo Hoffman de la ladrillera Ocaña, así como la medición de gases contaminantes a 10 chircales.

3.1 ENSAYOS DE UNIDADES DE MAMPOSTERÍA DE ARCILLA Y BLOQUES DE ARCILLA

Referencias

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