PLANILLA DE INFORMACIÓN
NOMBRE DE LA TECNOLOGÍA: HORNO SEMICONTINUO ZIGZAG
PAÍS: Colombia
DESCRIPCIÓN DE LA TECNOLOGÍA
TIPO DE HORNO SEMICONTINUO TRANSFERENCIA DE CALOR
Introducción e historia Una de las variedades más conocidas del horno Hoffman es el Zigzag 1 u horno Bührer (nombre de su inventor); este es un horno semicontinuo o continuo de mayor producción que los hornos intermitentes; posee entre 10 a 30 cámaras. La característica técnica más relevante del horno es el recorrido segmentado del fuego desde una cámara a otra. Las cámaras son paralelas, las 2 laterales son de mayor longitud que las centrales, las cuales están cortadas y separadas de la zona de los conductos de gases y de recuperación de calor. Se emplea generalmente para pequeñas y medianas producciones, requiere menos espacio que el horno Hoffman tradicional y se diferencia de este por el movimiento del fuego a través de las cámaras de forma horizontal.
Una de las fortalezas del horno Zigzag es la alimentación del combustible, se realiza inicialmente, de forma manual en la etapa de caldeo, en las hornillas sobre la parte frontal del horno; posteriormente en la etapa de cocción se realiza en la parte superior del horno, mediante un equipo de alimentación a presión tipo carbojet (alimentación neumática), la cual realiza la dosificación mediante mangueras, impulsado el combustible con una corriente de aire a presión.
Registro fotográfico del horno ZIG ZAG y procesos
1
L. L. F. Rojas Gómez and Pontificia Universidad Javeriana. Bogotá., “Reconversión tecnológica del proceso de cocción en una empresa ladrillera.” 2003. Citado por CAEM. Programa de Eficiencia Energética en Ladrilleras EELA. Estudio tecnológico para definir el tipo de tecnología de horno apropiada para la reconversión de las ladrilleras artesanales, 2011.
Vista frontal - Horno ZIGZAG Dosificación de combustible – con equipo dosificador CARBOJET
CARACTERÍSTICAS DE LASEMPRESAS QUE UTILIZANESTA TECNOLOGÍA Naturaleza de la organización Industrial
Nivel de mecanización Semimecanizado Capacidad de producción anual de
la empresa
1 a 10 millones de ladrillos (Mediana escala)
Periodo de operación Quema completa semanal
Tipo de producto Ladrillo hueco y perforado
GEOGRAFÍA Y DISTRIBUCIÓN Número estimado de empresas que
operan la tecnología y producción total
País No Empresas Total de producción
(Millones de ladrillos/año)
Colombia 5 17,256
% de contribución en la producción total de ladrillo
Aproximadamente con este modelo tecnológico se produce 17.256.000 unidades de ladrillo por año, equivalente al 0.97 % de la producción total DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO Diseño 1 2 4 5 Camara 1 6 3 7
Cavidad Interna del horno ZIGZAG, comprende el área de quema del
mismo.
Endague horno – se le denomina el cargue del material cerámico crudo en el área de
quema
1. Hornilla 2. Puerta falsa 3. Grosor pared 4. Brameras
5. Ancho área de quema 6. Ducto pasa Fuego 7. Ducto salida de gases
Descripción y funcionamiento de los procesos de tecnología
DESCRIPCIÓN
El horno Zigzag está cimentado por una serie de cámaras paralelas, alargadas en forma de túnel con techo en cúpula, ductos sobre la parte inferior. El fuego pasa entre las cámaras y las aberturas de dosificación de combustible. El proceso de cocción se da por la movilización del calor a lo largo de todo el horno de forma horizontal con tiraje forzado.
El material cerámico crudo es endagado a lo largo del túnel de quema dejando espacios de circulación entre dagas bajo la línea de alimentación superior y sobre la parte inferior de las dagas.
Partes del horno
1. Hornilla: aberturas sobre la parte frontal del horno, con emparrillado interno en acero. En ella se efectúa el encendido del horno en las primeras 8 horas de quema. Este proceso de iniciación se denomina caldeo.
2. Puerta falsa: corresponde a las aberturas de entrada y salida ubicadas sobre los extremos del horno. Se denomina puerta falsa, porque se sellan durante la quema.
Vista área de quema horno ZIGZAG Puertas frontales – Horno ZIG ZAG
3. Grosor de la pared: está determinado por la capacidad del horno varía entre 1 a 2 metros de grosor. En los muros laterales externos, la base posee mayor grosor que la parte superior, en una relación de un 50%. Los muros frontales mantiene un grosos de 1,8 a 2,5 metros.
4. Bocas de alimentación - mecanizada: son las aberturas cilíndricas ubicadas sobre el techo del horno denominadas brameras, lugar en el cual se efectúa la inyección de combustible por medio de equipos dosificadores con presión de aire. Estas comunican con el túnel de quema. Debajo se localiza un espacio de circulación de aire para el encendido del combustible. Las brameras se ubican de forma trasversal al horno formando líneas de alimentación. Cada línea está conforman de 4 a 6 brameras distribuidas a lo ancho del horno, con una distancia entre línea de 1 a 2 m.
5. Túnel de quema: cavidad interna del horno en el que se efectúa la cocción del ladrillo. Comprende un túnel alargado con techo circular para direccionar la circulación del calor dentro del horno.
Puerta falsa – durante cargue Puerta de falsa – durante quema
6. Pasa fuego: cavidad lateral ubicada en la parte final del túnel de quema, comunica las cámaras para la transferencia de calor.
7. Ducto de salida de gases: canal de evacuación de los gases, se encuentra en la parte inferior del horno, ubicado en la parte central del túnel de quema. En la parte de cada cámara comprende un compuerta o damper para regular la salida y tiraje del horno.
Proceso de quema
1. CALDEO O ENCENDIDO: etapa inicial de quema, en el que se efectúa el encendido del horno de forma manual en la hornillas frontales. Este proceso toma de 6 a 8 horas hasta alcanzar una temperatura, sobre el primer tramo de la zona de quema, entre 200 a 300 °C. Durante este periodo se mantiene el dámper del ducto de gases totalmente sellado.
2. LEVANTAMIENTO DE TEMPERATURA: inicia con el cambió de dosificación de combustible de forma manual a mecanizada con el uso del carbojet. La dosificación busca alcanzar el umbral de temperatura entre 900 a 1.000 ° C en la zona de inyección. 3. COCCIÓN: Una vez alcanzado el umbral, la dosificación busca
sostenerlo y transferirlo a lo largo de la cámara; desplazando el calor con la movilización del carbojet, adelantando de manera
Material cocinado Área de quema –descargue horno
consecutiva a las siguientes líneas de alimentación. Durante este proceso se mantiene el dámper de ducto de gases abierto en un 20%.
4. PRECALENTAMIENTO DE CÁMARA CONTINUA: al completar la quema sobre el 70% de la primera cámara se efectúa el cierre del dámper del ducto de gases sobre la primera cámara y se da abertura al pasa fuego y al ducto de la cámara continua.
5. TRANFERENCIA DE CALOR A CÁMARA CONTINUA: terminada la quema en la primera cámara, se sitúan parte de las mangueras de inyección del equipo dosificador sobre la primera línea de alimentación de la siguiente cámara; aumentando la frecuencia de dosificación con el fin de jalar el calor hacia dicha cámara. Cuando el umbral de temperatura haya pasado en su totalidad, se ubican todas las mangueras de inyección sobre la línea de alimentación en la cámara de cocción.
6. COCCIÓN CÁMARA No 2: seguir el mismo procedimiento del proceso de quema de la etapa 3 al 5 hasta finalizar la quema en todas las cámaras.
7. ENFRIAMIENTO: Una vez la temperatura se transfiere a la cámara siguiente, se dispone realizar el enfriamiento de la cámara cocinada con el fin de adelantar el descargue. Generalmente se apoya de ventiladores industriales para acelerar el proceso y disminuir los tiempos de operación en la cocción total. El tiempo de quema de una cámara permite el enfriamiento, descargue y endague de la anterior cámara para la siguiente quema, condición que clasifica el horno como semi continuo.
RENDIMIENTO Emisiones
Factores de emisión % CO2 % O2 NOX SO2
8.9 21.8 94.89 ppm 158.53 ppm Temperatura de salida gases Velocidad de salida gases Exceso de aire CO 122 16.7 260 1.53 ppm
Medición Material Particulado Estándares de emisión - condiciones de referencia
(25° 760 mm Hg) Combustible sólido - e
Resolución de 909 de 2008 – establecen estándares de emisión Temperatura de salida- Max °C %O2 SO2 (Mg/m3) NOX (Mg/m3) MP 250 18 550 550 50
Comentarios Las malas condiciones técnicas de la chimenea del horno validado no permitió la medición de Isocinético para determinar las condiciones de las emisiones en cuento a MP, PM10, PM 2,5, O3 etc. Sin embargo durante las mediciones de logro medir los parámetros presentados. Las condiciones físico químicas, de almacenamiento y dosificación del carbón incide directamente en el procesos de combustión del horno que
a ser inadecuadas pueden generar niveles altos de emisión y bajos en eficiencia energética.
Combustible y energía
Combustible más utilizados 100% se utiliza como combustible carbón mineral.
En algunos se utilizan mezclas con biomasa específicamente con cascarilla de café, pero no es hábito común dentro del proceso. Características generales del carbón
utilizado en la validación del modelo tecnológico
% Humedad % Ceniza % Azufre 5 Carbón fijo Poder calorífico (MJ/Ton)
3.03 10.93 0.7 53.7 29.9
Indicadores Energéticos Eficiencia
térmica Eficiencia de combustión Índice de consumo (MJ/Ton) Índice de consumo (Kg combustible/Kg Arcilla) Índice de consumo (MJ/kg ladrillos cocinado 15 % 80 % 4.9 0.006 2.05
Comparación con otros modelos tecnológicos
El horno Zigzag, siendo horno semicontinuo o continuo dependiendo del número de cámaras, es más eficiente con respecto a hornos intermitentes como el Colmena, Baúl y Vagón en un 43% (1 a 2 MJ/Ton). Sin embargo comparándolo con otros hornos continuos como Hoffman, Cámaras y Túnel es menos eficiente en 41% (1 a 1.1 MJ/Ton).
Tipo de horno Vs Consumo energético [MJ/ton arcilla procesada]. CAEM – EELA 2011
Descripción en el consumo de energía y de las principales causas
de la pérdida de calor
El proceso de validación, realizado en un horno de 100 Ton/quema se identificó un flujo de consumo por hora de 280 a 330 Kg/hora en la cocción sin tener en cuenta la etapa de caldeo, con un carbón de 29.9 MJ/Ton. Alcanzando una temperatura máxima de 1.006 ° C, con pérdidas térmicas en las puertas falsas y brameras, generadas principalmente por malas prácticas operativas en el sellado del horno y dosificación de combustible
DEPESEMPEÑO FINANCIERO Costo de capital de la tecnología de
horno
(Capacidad de producción anual de 5.200 a 10.400 toneladas) (excluyendo la tierra y el costo de
capital de trabajo)
$166.666 USD
DISCRIMINACIÓN DE COSTOS
ÍTEM COSTOS USD %
Materiales de construcción $ 94.444 54
Mano de obra $ 46.113 28
Equipamiento $ 16.666 10
Instrumentación $ 2.777 2
Chimenea $ 6.666 4
Capacidad de producción Ton/mes producto cerámico U cerámicas
/mes Tipo de unidad cerámica 880 176.000 Bloque No 4 (30x20x10)(cm) Número operarios
(1 quema hornos de 110 ton)
ETAPA No operarios No horas
Cargue 3 8
Caldeo 2 8
Quema 2 52
Descargue 3 8
PRODUCTO Calidad del producto (Bloque No 4
– PH: Perforación horizontal)
Parámetro Tipo pasta Valor laboratorio
Rango óptimo (NTC 4205) Resultados de laboratorio cerámico
– Validación horno Densidad aparente Pasta reformulada validación PRV 1,9 (kg/cm3) 1,6 - 2 Resistencia mecánica a la compresión PRV 29,12 (Kg/cm2) Mayor a 20 Contracción PRV 900°C- 0.39 1000°C -0.65 Menor 1,5 Absorción PRV 1000°C – 13.16 Menor a 16 Perdidas por calcinación PRV 1000°C – 5,00 Menor a 10
Percepción mercado local Parámetro
Coloquial
Descripción Calificación
Dimensiones Que cumpla con las dimensiones estándar (30*20*10)
Bueno Alabeo Las caras y ángulos del material
cerámico mantenga la ortogonalidad permitida (deformaciones mínimas)
Bueno
Timbre Refiere al sonido generado por el material cerámico, que a mayor agudeza del sonido se determina la calidad de cocción del material
Bueno
Tipos de productos que poder cocinados en el horno
Tipo Nombre
Perforado horizontal o Hueco
Bloque No 4, Bloque No 5, Bloque No3
Perforado vertical
Ladrillos portante, rejilla, estructural perforado, Generalmente en el horno Zigzag se cocinan ladrillos huecos y perforados debido a la gran demanda que estos poseen actualmente en el mercado. Sin embargo se permite la cocción de todo tipo de material estructural y no estructural. No se utiliza para la cocción de materiales de fachada y teja, por el comportamiento térmico del horno en cual requiere homogeneidad en el endague.
SALUD OCUPACIONAL Y SEGURIDAD INDUSTRIAL (LEY 1562 - 2012) Identificación de riesgos operación
horno Zigzag
RIESGOS DESCRIPCIÓN
FÍSICO Asfixia por material particulado suspendido de combustible y cenizas durante la cocción y descargue del horno.
Caída de la parte superior del horno durante la dosificación de combustible con equipo dosificador.
Laceraciones en el cuerpo por manipulación de combustible en el caldeo y material cerámico en el descargue de horno.
ELÉCTRICO Quemaduras, calambres o fibrilación por choque eléctrico durante la manipulación del equipo dosificador y/o extractor de gases.
Caídas o golpes como consecuencia de choque o arco eléctrico.
Incendios o explosiones originados por la electricidad.
TÉRMICO Por contacto directo de fuentes calientes (brameras y hornillas).
Por estrés térmico, debido a exposiciones continuadas al túnel de quema en el cargue y descargue del horno y durante la dosificación de combustible en el caldeo y cocción.2
Condiciones mínimas de seguridad industrial
FÍSICAS DE INSTALACIONES
Señalización de las áreas almacenamiento, dosificación, riesgos, senderos de tránsito y movilización y circulación de maquinaria.
Estructuras de seguridad en escaleras de acceso al horno, barandas perimetrales sobre el techo del horno.
Redes con aislamiento térmico y canalización del
2
cableado eléctrico.
Iluminación optima sobre techo y temporal en el cargue y descargue del horno.
IMPLEMENTOS DE PROTECCIÓN
Guantes de protección reforzada para manipulación de material cerámico.
Guantes de protección térmica para manipulación de combustible.
Tapas bocas doble filtro (Partículas Suspendidas Totales PST), para proceso de cargue, descargue y dosificación de combustible durante la quema.
Botas de seguridad industrial dieléctricas, con plataforma de aislamiento térmico y punta de protección para operarios de proceso de cocción.
Overol con cintas reflectoras de material ligero para temperaturas moderadas.
Casco dieléctrico con resistencia en altas temperaturas.
CONCLUSIONES
Emisiones atmosféricas % CO2 8,9 No se logró tener la medición de PST:
PM, PM10, por dificultades logísticas. Este horno puede tener mayor rendimiento energético en la medida que el número de cámaras aumente debido el flujo de calor es utilizado para el precalentamiento de la cámaras siguientes disminuyendo los tiempos de quema.
% O2 21,8
NOX 94,89 ppm
SO2 158,53
CO 1,53
Combustible y energía Índice de
consumo (MJ/Kg unidad cerámica)
2.17 El consumo puede reducirse en un 40 % al adecuar el horno para quema continua.
Desempeño financiero COSTO
HORNO (USD)
$ 166.666 El horno es un modelo atractivo para el micro empresario asociado y pequeño empresario por la baja inversión, alta rentabilidad, tasa interna de retorno alta y participación de nuevos mercados más competitivos y sostenibles.
Dependiendo del nivel producción que se tenga anterior a la reconversión, se puede tener un aumento de la producción del 10 al 15% con una mejora de ingreso por la reducción de
TIR 41%
VAN (USD) $ 447.555 1 AÑO
Capacidad de Producción Ton/mes
producto cerámico 880 U cerámicas /mes 176.000
uso de combustible $ 51.408 (USD/año)
Calidad del producto Calificación
mercado
Bueno Cumple con los requerimientos establecidos como producto no estructural NTC 4205
Salud ocupacional y seguridad industrial
El horno mejora las condiciones laborales en comparación con los hornos intermitentes. El riesgo de accidentalidad se reduce en un 50% debido a la facilidad de operación, cargue y descargue del mismo
REFERENCIAS BILBIOGRAFICAS
L. L. F. Rojas Gómez and Pontificia Universidad Javeriana. Bogotá., “Reconversión tecnológica del proceso de cocción en una empresa ladrillera.” 2003. Citado por CAEM. Programa de Eficiencia Energética en Ladrilleras EELA. Estudio tecnológico para definir el tipo de tecnología de horno apropiada para la reconversión de las ladrilleras artesanales, 2011.
http://riesgoslaborales.feteugt-sma.es/p_preventivo/riesgos_laborales/riesgos_laborales_4-5.htm
Fabiola Suarez Sanz
Directora General CAEM
Paola Andrea Herrera Cuéllar
Coordinadora Programa EELA Colombia
Luisa Rodriguez Silva Victor Andres Garcia
Equipo Técnico Programa EELA Colombia
Victor Andres Garcia
Autor
Eugenia Arce
Reviso estilo
CONSULTAS E INFORMACIÓN
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