PROGRAMA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN LADRILLERAS ARTESANALES DE AMERICA LATINA PARA MITIGAR EL CAMBIO CLIMATICO - EELA

EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO TÉRMICO DE UN HORNO CERAMICO TIPO BÓVEDA EMPRESA: CERÁMICA TAVARES - PARELHAS - RIO GRANDE DO NORTE

Río de Janeiro - Brasil Setiembre - 2011

EELA es un programa de COSUDE, ejecutado por Swisscontact y PRODUCE

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Cooperación Internacional:

COSUDE - AGENCIA SUIZA PARA EL DESSARROLLO Y LA COOPERACIÓN SWISSCONTAC - FUNDACIÓN SUIZA DE COOPERACIÓN PARA EL DESARROLLO TÉCNICO FUNCATE – FUNDACIÓN DE CIENCIA, APLICACIONES Y TECNOLOGIAS ESPACIALES

Institución Ejecutora:

INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA – INT

Coordinación: Joaquim Augusto Pinto Rodrigues Equipo Ejecutor: Marcelo Rousseau Valença Schwob Mauricio F. Henriques Jr. Roberto Enrique C. Tapia Rosana Medeiros Márcio Azevedo Guimarães Revisión Técnica: Fabrício dos Santos Dantas Mauricio F. Henriques Jr.

Apoio Institucional: ACVC - ASOCIACIÓN DE CERAMISTAS DEL VALLE DE CARNAÚBA ANICER - ASOCIACIÓN NACIONAL DE CERÁMICA ROJA SEBRAE-RN - SERVICIO DE APOYO A LAS MICRO Y PEQUEÑAS EMPRESAS

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1. INTRODUCCIÓN Este trabajo de evaluación de desempeño térmico de hornos cerámicos fue realizado por el Instituto Nacional de Tecnología – INT, bajo el Proyecto “Eficiencia Energética en Pequeñas Cerámicas – EELA”. La empresa escogida para realizar los experimentos fue la Cerámica Tavares, localizada en el municipio de Parelhas/RN. Esta industria cuenta con una planta de producción de tejas, layotas y bloques de sellado de diversos tipos y dimensiones. Por lo tanto, emplea seis hornos de tipo bóveda de características semejantes. El objetivo del trabajo era calcular el consumo energético específico y el desempeño térmico general de los hornos, tomando como ejemplo la operación de los hornos 1 y 2, que operan de forma conjunta en régimen de aprovechamiento de calor. Finalmente, se buscó comparar la eficiencia térmica del sistema integrado por los dos hornos, con el modelo tradicional, que seria el de un horno operando de forma aislada y sin aprovechamiento de calor. Para el trabajo de evaluación de desempeño térmico, fue adoptado el método de calor útil absorbido pela carga del horno enfrentado con el calor fornecido al equipo a través de la alimentación con leña. Los datos operacionales de los dos hornos fueron levantados entre los días 17 a 19 de agosto de 2011. Entre los resultados a ser inferidos a través de las conclusiones del levantamiento, se encuentran las posibilidades de comparación de desempeño entre los hornos operando con y sin recuperación de calor, el potencial de ganancia energética en toda la planta de producción de la empresa a través de la aplicación del sistema de recuperación de calor para los otros hornos y también la comparación de datos de consumo y desempeño térmico de los hornos bóveda con los hornos del tipo caieira, muy empleados en la región, llevando en cuenta sus diferencias en relación a la calidad del producto final. Los datos levantados y las conclusiones realizadas en este informe se refieren exclusivamente a las condiciones de operación encontradas, tales como las características de la leña utilizada (poda de anacardo), las condiciones de humedad de esta leña, el tipo de arcilla (influencia en la temperatura de quemada), el modo de acomodar las piezas en los hornos (apilamiento de los productos), morfología de la leña de alimentación (influencia en la masa por metro cúbico estéreo), así como las condiciones ambientales en la época de los levantamientos de campo (temperatura y humedad).

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La tecnología de reaprovechamiento del calor empleado en los dos hornos mencionados fue desarrollada por la propia empresa, que desea evaluar y mejorar los beneficios económicos, técnicos, ambientales, energéticos y de productividad, de modo a aplicarlos en los otros cuatro equipos en operación en la empresa. Entre los beneficios esperados se pretende alcanzar mejores valores de eficiencia térmica y consecuente reducción del impacto ambiental y económico promovido por el menor uso de combustibles, lo que es de interés del sector productivo y de la sociedad. En el ensayo realizado por el INT, con el apoyo de empleados de la Cerámica Tavares, también se procuró medir los flujos y tipos de pérdidas de calor en el proceso de quema de productos cerámicos para posibilitar el cálculo del desempeño térmico del horno por el método de las pérdidas. Los resultados de la prueba de eficiencia térmica del equipo permitieron mostrar que los dos hornos analizados operan con buenos niveles de eficiencia térmica y calidad del producto, comparándose a equipos similares y destacando las ventajas técnicas y económicas de la recuperación de calor del horno 2 para el horno 1, a pesar que demandan algunos ajustes en la forma de operación. 2. METODOLOGÍA La metodología aplicada contempló la evaluación del desempeño térmico y del consumo energético específico de dos hornos del tipo bóveda (recuperando calor del horno 2 para el horno 1), en operaciones de quemada de tejas , lajotas y ladrillos empleando como unidad kcal/kg, a través de la medición en un ciclo completo de quemada, del consumo total de combustible (ramas y troncos de poda de anacardo), que permitió el cálculo de la energía térmica alimentada en el horno (kcal), así como de la carga total procesada en el horno a lo largo del ciclo de seguimiento o monitoreo (kg). Así, se calculó el calor útil demandado por la masa de arcilla seca procesada en función de sus características físico-químicas y de las condiciones atmosféricas ambientales, valor que fue comparado con la energía térmica total fornecida por el combustible, permitiendo evaluar la eficiencia térmica del horno. Para la evaluación se realizó el pesado y la medición del contenido de humedad (aparato de marca Texto 606-2) de una muestra de carga alimentada en el horno (dos piezas de ladrillo, dos de lajota y dos de teja). Al final de la prueba, se realizo un mismo procedimiento con las piezas quemadas. La empresa realiza una clasificación de la calidad del producto final (1ª y 2ª calidad), sin embargo para efecto de cálculo se considero el rendimiento térmico y el consumo específico de energía con la totalidad de los productos procesados. Se realizó el pesado y la medición de humedad (con el mismo aparato Testo) de diversas muestras de ramas y troncos de madera de poda de anacardo (cajueiro), el combustible utilizado. El poder calorífico INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA - INT - Av. Venezuela, 82 - 20081-312 - Rio de Janeiro - RJ - Brasil -Tel.: (21) 2123-1256 Fax.: (21) 2123-1253 www.int.gov.br - [email protected] 4 de 23

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superior en base húmeda, medido en el laboratorio Lacol-INT, fue utilizado en la evaluación/ cálculo de la cantidad de energía fornecida al proceso. Las temperaturas de operación del horno fueron medidas en los gases de escape (base de la chimenea) y en la hornilla (parte inferior y superior) a través de los medidores fijos del horno con termopares del tipo K, así como las temperaturas superficiales de la parte externa y de las bocas de la hornilla de cada horno (para cómputo de las perdidas por radiación y convección), a través de termómetros de medición laser/infrarojo. También fueron realizadas mediciones de contenido en volumen de dióxido de carbono en los gases de escape para efectos de cálculo del exceso de aire en la combustión, que permitieron el cálculo de la pérdida de calor en los gases de escape. Paralelamente, fue realizada la evaluación del flujo de los gases calientes en el canal subterráneo de conducción de los gases calientes recuperados en el horno 2 para reaprovecharlos en el calentamiento del horno 1. Todo el conteo de piezas horneadas y cocidas, incluyendo pérdidas de producción fue efectuada por la propia empresa. 3. ENSAYOS Y RESULTADOS Fueron realizadas dos pruebas, una en el horno 1 (recibiendo el calor recuperado en el horno 2) y otro en el horno 2 (forneciendo el calor recuperado en él, para pré-calentar el horno 1). 3.1. Horno 1 a) Condiciones operacionales del horno 1 Tipo: Bóveda o redondo con alimentación de calor recuperado del horno 2.(*) Capacidad nominal: 100 t/horneada Dimensiones: diámetro de 7,8 m, con altura variable de 2,1 a 3,0 m. Tabla 1 - Productos obtenidos en la horneada Teja 1a Teja 2a Teja Lajota Canaleta sextavada 20x30 Producción 18.265 29.671 5.250 2.350 (piezas) Peso por 1,10 1,10 1,45 2,03 2,72 pieza (kg)

Teja quebrada 580

Ladrillo 19x19 3.800

1,1

1,7

- Producción quemada: 74.491 kg - Período de quemada de cada horneada: 24 horas - Tipo de combustible: leña de poda de anacardo (cajueiro) - Cantidad de leña alimentada durante la horneada: 8 carritos de leña INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA - INT - Av. Venezuela, 82 - 20081-312 - Rio de Janeiro - RJ - Brasil -Tel.: (21) 2123-1256 Fax.: (21) 2123-1253 www.int.gov.br - [email protected] 5 de 23

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- Humedad de la arcilla en la entrada: 8% - Humedad de la leña en la entrada: 12% (*) El valor del calor fornecido por el Horno 2 fue considerado en los cálculos de los índices, a pesar de no constituir costo adicional. b) Pesado de la madera de poda de anacardo (cajueiro) utilizada como combustible Se pesó una muestra representativa de ramas y troncos totalizando 1.445 m³ estereos de leña de poda de Anacardo (cajueiro) que alcanzó a masa de 306 kg, medidos en una balanza electrónica, llevando a un valor de 211 kg por m³ estereo. En la fase inicial de quemada, predomina la alimentación con troncos de leña, por lo tanto sin ramas, cuyo valor fue estimado en 250 kg/m³ st. Así, en la alimentación de los hornos los tres primeros carros de leña de alimentación presentan una densidad volumétrica de 250 kg/m³ st, siguiendo la alimentación a través de 5 carros con densidad volumétrica de 211 kg/m³ st. c) Cantidad de leña consumida Fueron consumidos durante la horneada 8 carros de leña con 8.15 m3 cada uno (dimensiones de 3,9 x 1,9 x 1,1 m), totalizando 65.20 m3 st en toda la horneada, 14.710 kg/horneada. d) Tiempo de ensayo El horno 1 operó con recuperación de calor y presentó un ciclo de quemada de 24 horas, habiendo sido realizada la última alimentación de leña diez minutos antes del sofoco del mismo. De ese modo, la alimentación media de leña se dio en el ritmo de 613 kg/h.

e) Humedad de las ramas y troncos de poda de anacardo (cajueiro) La media de los valores de humedad medidos en el campo fue de 11% en las ramas y de 20% en los troncos. Para los tres primeros carros, que presentaron una mayor parcela de troncos, se considero una media ponderada de 18%, y para los carros siguientes, se estimo una media de 15%.

f) Masa total de madera alimentada en el horno Las etapas de cálculo a seguir demuestra el consumo de leña empleada en la quemada del horno 1 (masa de madera por metro cúbico x cantidad de carros x volumen de madera por carro). INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA - INT - Av. Venezuela, 82 - 20081-312 - Rio de Janeiro - RJ - Brasil -Tel.: (21) 2123-1256 Fax.: (21) 2123-1253 www.int.gov.br - [email protected] 6 de 23

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250 kg/m3 x 3 carros x 8.15 m3/carro = 6,112.5 kg/horneada.




211 kg/m3 x 5 carros x 8.15 m3 = 8,598.3 kg/horneada.




Total: 14,710 kg/horneada.

g) Poder calorífico inferior de la leña de poda de anacardo (cajueiro) Valor obtenido en ensayo de poder calorífico en laboratorio (Lacol – INT): PCS (base húmeda): 4,184 kcal/kg.

h) Energía de la leña alimentada en el horno: 14,710 kg x 4,184 kcal/kg = 61.546.640 kcal.(ver Anexo 1)

i) Pesado de la carga introducida en el horno – piezas húmedas Las pesadas realizadas presentaron los siguientes valores medios de las piezas introducidas en el horno:


Ladrillos: 2.546 kg; tejas: 1.150 kg; canaletas: 2.976 kg; lajotas: 2.246 kg.

j) Pesado de la carga extraída del horno – piezas quemadas: Fueron pesadas cinco muestras de ladrillo quemado (producto final) con los siguientes valores:


Ladrillos: 2.299 kg; tejas: 1.060 kg; canaletas: 2.723 kg; lajotas: 2.029 kg.

k) Pérdida media de masa cerámica y agua en la arcilla Tomando como base los valores de las diferencias de masa entre las piezas húmedas y quemadas, diferencia evaluada en el laboratorio de la empresa, se llegó a un valor del orden de 10%. Así, con el dado de producción final (productos quemados en la horneada), fornecido por la empresa (74,413 kg), se calculó la masa en la entrada del horno: 82,681 kg.

l) Pérdida de masa (agua, materia orgánica y otros) en la quemada de la carga


(82,681 – 74,413) kg = 8,268 kg.

Obs: En función del contenido medio de humedad de la arcilla medido en la entrada del horno (8%), se calculó la pérdida de agua siendo de 6,614 kg.

m) Pérdida porcentual de masa cerámica de la carga en la quemada:


(8,268 – 6,614) kg x 100 = 2% ou 1,654 kg.

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n) Masa de arcilla seca en la entrada del horno




Marg = 82,681 kg x 0.92 = 76,067 kg.

o) Calor útil demandado por la arcilla, no considerando la presencia de agua en la masa Condiciones de proceso:


Temperatura ambiente de 30oC (Ta);




Temperatura de quema: 845oC (Tm);




Calor específico de la arcilla: 0.26 kcal/kgoC (Carg) - valor obtenido en la literatura;




Calor de reacción de la arcilla (Lr): 25 kcal/kg, también obtenido en la literatura técnica;




Calor latente de vaporización del agua, a presión atmosférica: 539 kcal/kg (Lv)




Masa de arcilla sin humedad (Marg1): 76,067 kg;




Masa de arcilla quemada (Marg2): 74,491 kg;




Calor específico del vapor de agua a presión atmosférica: 0.48 kcal/kgoC (Cv);




Calor específico del agua: 1.00 kcal/kgoC (Ca);

Así, se calcula el calor útil necesario para la quema de la arcilla procesada en el horno de la siguiente forma: Calor útil = Marg1 x Carg x (Δ T) = 76,067 x 0.26 x (845 – 30) = 16.118.597 kcal

p) Eficiencia térmica del horno durante el ensayo, considerando la masa de la arcilla sin humedad


Calor total del proceso = calor de la leña + calor de reacción + calor de recuperación.




Calor de la leña = 14,710 kg x 4,184 kcal/kg = 61,546.640 kcal (ver Anexo 1)




Calor de reacción = 76,067 kg x 25 = 1.901.675 kcal (ver Anexo 1)




Calor de recuperación del horno 2 para el horno 1 fue obtenido considerándose el valor medio de dos posibilidades:

1- Volumen de gases transferidos a través del ventilador con flujo de 11,500 m³/h y temperatura de los gases de 230º C, durante 20 horas de operación se obtuvo cerca de 7.550.000 kcal. 2- Cantidad de leña consumida a más por el horno 2 durante toda la operación de quema fue de 4,300 kg/leña, así, con 20 horas de período de transferencia, tendremos cerca de 2,000 kg/leña con PCS de 4,184 kcal/kg obteniéndose cerca de 8.360.000 kcal.

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Así, el valor considerado para transferencia fue de aproximadamente 8.000.000 kcal, obteniéndose:


Calor total = 61.546.640 + 1.901.675 + 8.000.000 = 71.448.315 kcal




Ef.

térmica

= Calor útil/Calor total = (16.118.597 kcal / 71.448.315 kcal) x 100 =

22.6 %;


Consumo energético específico considerando el producto quemado:

71.448.315 kcal/74.491 kg = 959 kcal/kg

Obs: Considerando las pérdidas de producto en la horneada (580 tejas quebradas con 1.1 kg/pieza, totalizando 638 kg de producto perdido ou 0.86% de la producción del horno), la eficiencia térmica poco será alterada por este hecho. Mientras tanto, si fuese considerada la ocurrencia de productos de segunda calidad (29,671 tejas con peso unitario de 1.1 kg, significaría 32,638 kg de perdida o 43.8% de pérdida), tendríamos un valor de eficiencia térmica menor. Sin embargo, la parcela de producción de segunda calidad también es comercializada. Por lo tanto, si tiene valor comercial, no es pérdida. Así, por este criterio de cálculo se considera que el horno tiene, de hecho, eficiencia térmica de 22.6%. Se puede, en este caso, considerar también un índice de desempeño del horno basado en la facturación permitida por la suma de las parcelas distintas de producto, conforme el nivel de calidad y de facturación comercial, pero tal aspecto no fue abordado en este trabajo en función de la variabilidad de precio y de los tipos de producto procesados por la empresa en cada horneada de sus equipos.

3.2. Horno 2 a) Condiciones operacionales del horno 2:

Tipo: Bóveda o redondo Capacidad nominal: 100 t/horneada Dimensiones: diámetro de 7,8 m, con altura variable de 2,1 a 3,0 m. Productos obtenidos en la horneada: Teja 2a Teja Lajota Teja 1a sextavada 20x30 Producción 24.832 30079 5600 3188 (piezas) Peso por 1,10 1,10 1,45 2,03 pieza (kg)

Canaleta 2430 2,72

Teja Ladrillo quebrada 19x19 560 1,1

Producción quemada: 82.219 kg INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA - INT - Av. Venezuela, 82 - 20081-312 - Rio de Janeiro - RJ - Brasil -Tel.: (21) 2123-1256 Fax.: (21) 2123-1253 www.int.gov.br - [email protected] 9 de 23

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Período de quemada de cada horneada: 40 horas Tipo de combustible: leña de poda de anacardo (cajueiro) Cantidad de leña alimentada durante la horneada: 10,5 carros de leña Humedad de la arcilla en la entrada: 8% Humedad de la leña en la entrada: 12% b) Pesado de la madera de poda de anacardo (cajueiro) utilizada como combustible. Se adoptó un procedimiento idéntico al del item 1.1., obteniéndose los mismos valores: 250 kg/m3 para los tres primeros carros de leña para alimentación y 211 kg/m3 para los 7.5 carros siguientes.

c) Cantidad de leña consumida Fueron consumidos durante la horneada 10.5 carros de leña con 8.15 m3 cada uno (dimensiones de 3.9 x 1.9 x 1.1 m), totalizando 85.58 m3 st en toda la horneada o 19,010 kg.

d) Tiempo del ensayo El horno 2 operó presentó un ciclo de quemada de 40 horas, habiendo sido realizada la última alimentación de leña diez minutos antes del cierre del horno. De ese modo, la alimentación media de leña fue en un ritmo de 475.3 kg/h. El horno 2 no recibió calor recuperado

e) Humedad de las ramas y troncos de poda de anacardo (cajueiro) alimentados en el horno (medición en campo) Media de los valores de humedad medidos en campo: ramas - 11%; troncos – 20%; para los tres primeros carros, que presentaron una mayor parcela de troncos, se consideró una media ponderada de 18% y para los carros siguientes, se estimó una media de 15%.

f) Masa total de madera para alimentar el horno:


250 kg/m3 x 3 carros x 8.15 m3/carro = 6,112.5 kg/horneada.




211 kg/m3 x 7.5 carros x 8.15 m3 = 12,897.4 kg/horneada.




Total: 19,010 kg/horneada.

g) Poder calorífico inferior del combustible utilizado (leña de poda de anacardo (cajueiro)) Valor obtenido en ensayo de poder calorífico en el laboratorio (Lacol – INT): PCS (base húmeda): 4,184 kcal/kg. INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA - INT - Av. Venezuela, 82 - 20081-312 - Rio de Janeiro - RJ - Brasil -Tel.: (21) 2123-1256 Fax.: (21) 2123-1253 www.int.gov.br - [email protected] 10 de 23

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h) Energía de la leña alimentada en el horno 19,010 kg x 4,184 kcal/kg = 79.537.840 kcal.

i) Pesado de la carga introducida en el horno – piezas húmedas El pesado realizado presentó los siguientes valores medios de las piezas introducidas en el horno.




Ladrillos: 2.546 kg; tejas: 1.150 kg; canaletas: 2.976 kg; lajotas: 2.246 kg.

j) Pesado de la carga extraída del horno – piezas quemadas Fueron pesadas cinco muestras de ladrillo quemado (producto final) con los siguientes valores en kilos:




Ladrillos: 2.299 kg; tejas: 1.060 kg; canaletas: 2.723 kg; lajotas: 2.029 kg.

k) Pérdida media de masa cerámica y agua en la arcilla Tomando por base los valores de las diferencias de masa entre las piezas húmedas y quemadas, diferencia evaluada en el laboratorio de la empresa, se llegó a un valor del orden de 10%. Así, con el dato de producción final (productos quemados en la horneada), fornecido por la empresa (82,219 kg), se calculó la masa en la entrada en el horno: 91,234 kg.

l) Pérdida de masa (agua, materia orgánica y otros) en la quemada de la carga


(91,234 – 82,219) kg = 9,015 kg.

Obs: En función del contenido medio de humedad de la arcilla medido en la entrada del horno (8%), se calculó la pérdida del agua siendo de 7,299 kg.

m) Pérdida porcentual de masa cerámica de la carga en la quemada


(9,015 – 7,299) kg = 2% ou 1,716 kg.

n) Masa de arcilla sin humedad en la entrada del horno


Marg = 91,234 kg x 0.92 = 83,935 kg.

o) Calor útil demandado por la arcilla, no considerando la presencia de agua en la masa

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Condiciones de proceso:




Temperatura ambiente de 30oC (Ta);




Temperatura de quemada: 780oC (Tm);




Calor específico de la arcilla: 0.26 kcal/kgoC (Carg) - valor obtenido en la literatura;




Calor de reacción de la arcilla (Lr): 25 kcal/kg, también obtenido en la literatura técnica;




Calor latente de vaporización del agua, a presión atmosférica: 539 kcal/kg (Lv)




Masa de arcilla sin humedad (Marg1): 83,935 kg;




Masa de arcilla quemada (Marg2): 82,219 kg;




Calor específico del vapor de agua a presión atmosférica: 0,48 kcal/kgoC (Cv);




Calor específico del agua: 1,00 kcal/kgoC (Ca);

Así, se calcula el calor útil necesario para la quemada de la arcilla procesada em el horno de la siguiente forma:




Calor útil = 83,935 x 0.26 x (780 – 30) = 16,367.325 kcal

p) Eficiencia térmica del horno durante el ensayo, considerando la masa de la arcilla sin humedad

Calor total del proceso = Calor de la leña + calor de reacción Calor de la leña = 19,010 kg x 4,184 kcal/kg = 79.537.840 kcal (ver Anexo 2) Calor de reacción = 83,935 kg x 25 = 2.098.375 kcal (ver Anexo 2) Calor total = 79.537.840 + 2.098.375 = 81.636.215 kcal

Ef. térmica = Calor útil/Calor total = (16.367.325 kcal / 81.636.215 kcal) x 100 = 20,0 %;

Consumo energético específico considerando el producto quemado: 81.636.215 kcal/82,219 kg = 993 kcal/kg

Obs: Considerando las pérdidas de producto en la horneada (560 tejas quebradas con 1.1 kg/pieza, totalizando 616 kg de producto perdido ou 0,75% de la producción del horno), la eficiencia térmica del horno poco será alterada por este hecho. Sin embargo, si fuera considerada la ocurrencia de productos de segunda calidad (30,079 tejas con peso unitario de INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA - INT - Av. Venezuela, 82 - 20081-312 - Rio de Janeiro - RJ - Brasil -Tel.: (21) 2123-1256 Fax.: (21) 2123-1253 www.int.gov.br - [email protected] 12 de 23

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1.1 kg, significaría 33,087 kg de pérdida ou 40,3% de pérdida), tendríamos un valor de eficiencia térmica menor. Sin embargo, la parcela de producción considerada por la empresa siendo de segunda calidad también se tomó como producto plenamente sinterizado, o sea, puede ser también comercializado normalmente. Así, en este caso, se puede considerar un índice de desempeño del horno basado em la producción total del horno para fines de análisis o balance térmico.

3.3. Sistema formado por los hornos 1 e 2 Esta evaluación del sistema compuesto por los hornos 1 y 2 tiene por objetivo establecer el beneficio energético que se obtiene cuando se compara una operación en régimen con un único horno sin aprovechar los gases calientes de la combustión. Los valores a ser considerados para el sistema compuesto por los hornos 1 y 2 son los siguientes:

Masa total de arcilla húmeda en la entrada: (82,681 + 91,234) kg = 173,915 kg; (ver Anexo 3). Masa total de arcilla quemada: (74,491 + 82,219) kg = 156,710 kg; (ver Anexo 3) Cantidad total de leña: (14,710 + 19,010) kg = 33.720 kg, (ver Anexo 3) Calor total de la leña: 140.687.620 kcal; (ver Anexo 3) Calor total de reacción: 4.000.048 kcal; (ver Anexo 3) Calor total del sistema: 144.687.668 Calor útil total considerando la arcilla húmeda: 16.118.597 + 16.367.325= 32.485.922 kcal.

Eficiencia térmica del sistema: 32.485.922/144.687.668 x 100 = 22,5%

Consumo energético específico con arcilla quemada: 923 kcal/kg.

3.4. Comparación de desempeño térmico entre el sistema y el horno 2 Este análisis busca retratar la comparación del sistema completo compuesto por los hornos 1 e 2, donde hay recuperación de calor, con un horno aislado, donde no existe inyección de calor aprovechada de un horno vecino.

Rendimiento térmico del sistema: 22.5%; Rendimiento térmico del horno 2: 20.0%; Beneficio de rendimiento térmico: ((22.5 – 20.0)/22.5) x 100 = 11.1 %. Consumo energético específico (arcilla quemada - sistema): 923 kcal/kg. Consumo energético específico (arcilla quemada - horno 2): 993 kcal/kg. INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA - INT - Av. Venezuela, 82 - 20081-312 - Rio de Janeiro - RJ - Brasil -Tel.: (21) 2123-1256 Fax.: (21) 2123-1253 www.int.gov.br - [email protected] 13 de 23

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Reducción de consumo energético: (993-923)/993 x 100 = 7,1 %. 4. CONCLUSIÓN GENERAL Las pérdidas de calor detectadas en los balances de energía de los hornos bóveda indicaron valores del orden de 70 a 80%, conforme la consideración de las necesidades de calor para evaporación del agua presente en la masa cerámica, valor calculado entre 8.5% y 9.9%, humedad de la leña, formas de acomodamiento en los hornos, en función de los tipos diferentes de productos procesados y hasta considerando la forma de operación distinta que el maniobrista del horno pueda tener. En este análisis fueron consideradas tres situaciones: horno 1, horno 2 y el conjunto de los dos hornos, de modo a ponderar el efecto de la recuperación de calor del horno 2 transferido para el horno 1, destacando que este proceso permite reducir el tiempo del ciclo de quemada del horno 1, anticipando el pre-calentamiento de la carga, además de reducir el costo energético del proceso de quemada en el horno 1 y del sistema considerando la operación conjunta de los dos hornos, conforme muestran los índices obtenidos en el ítem 3.4. Las condiciones de operación de los hornos durante el levantamiento fueron propicias para un buen desempeño término en función de la temperatura ambiente, próxima de 300C, y de la baja humedad relativa del aire. Además de eso, con la elevada incidencia solar de los días anteriores, la leña y la masa de arcilla procesada estaban en condiciones de baja humedad, lo que favoreció también en la operación de los hornos. Es necesario anotar también que las variaciones en la calidad y formulación de la arcilla, como el contenido de óxidos que se funden para dar dureza a la arcilla, pueden influir mucho en el desempeño de los hornos, con impacto directo en la temperatura máxima de la quemada. El esfuerzo de evaluación del desempeño de los hornos del tipo bóveda, con o sin recuperación de calor, a través del método de calor útil fue seguido por la evaluación complementaria del método de las perdidas, que permitió la identificación de los puntos de perdida más críticos, además de una situación mejor en la cuantificación de las parcelas de calor empleado en el horno, con el objetivo de introducir medidas para mejorar el desempeño térmico (ver cuadros de Balance de Masa y Energía en los Anexos 1, 2 y 3). Además de eso, a partir de este momento se podrá tener mejores referencias de comparación de desempeño térmico de los hornos del tipo bóveda con los del tipo caieira y caipira, empleados en la región del Seridó. En términos generales, a partir de los datos obtenidos en el ensayo, fue observado que el horno bóveda presenta buenas posibilidades de difusión en el sector de cerámica roja de la región del Seridó em función de la posibilidad de procesar combustibles, tales como el aserrín, INSTITUTO NACIONAL DE TECNOLOGIA - INT - Av. Venezuela, 82 - 20081-312 - Rio de Janeiro - RJ - Brasil -Tel.: (21) 2123-1256 Fax.: (21) 2123-1253 www.int.gov.br - [email protected] 14 de 23

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además de una mayor garantía de piezas de primera calidad y de una menor posibilidad de perdidas, hecho que no ocurre con los hornos del tipo caieira y caipira, que son los que más predominan en la región. Por lo tanto, conforme mostrado antes, se puede afirmar que un sistema compuesto por dos hornos operando secuencialmente con el aprovechamiento de calor proveniente de la quemada del horno 2 direccionado para la carga del horno 1, proporciona una economía de 7.1% del consumo energético y 11,1% de beneficio en el rendimiento térmico. Además de eso, el sistema que asocia a los dos hornos proporciona una reducción del tiempo total de operación para la quemada de toda la masa producida en los dos hornos, ya que la duración total de los dos ciclos es de 64 horas, al contrario de la operación de 40 horas para cada horno independientemente. El beneficio resultante de la productividad es expresivo, o sea, hay una disminución del 20% en el tiempo de producción del sistema.

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ANEXO 1 - Balance de masa y energía - Horno 1 BALANÇO DE MASSA E ENERGIA FORNO 1 COM RECUPERAÇÃO PRODUTOS MASSA(KG) ENTRADAS RECUPERAÇÃO DE CALOR DO FORNO 2 14.710 TOTAL DE LENHA COM UMIDADE CALOR DA REAÇÃO DA ARGILA TOTAL DE ENERGIA COM LENHA ÚMIDA

TEMP.

CALOR ESP. POD. CAL.

4.184

CALOR TOTAL

%

8.000.000 61.546.640 1.901.675 71.448.315

11,20 86,1 2,7 100,0

SAÍDAS TIJOLO CRÚ ÁGUA CONTIDA NOS TIJOLOS (8%) TIJOLO SECO TIJOLO QUEIMADO

9.728 778 8.950 8.740

30 30 30

0,26 0,48 0,26

604.692 1.896.454

0,8 2,7

TELHA CRUA ÁGUA CONTIDA NAS TELHAS (8%) TELHA SECA TELHA QUEIMADA

59.190 4.735 54.454 53.368

30 30 30

0,26 0,48 0,26

4.577.007 11.538.879

6,4 16,1

LAJOTA CRUA ÁGUA CONTIDA NAS LAJOTAS (8%) LAJOTA SECA LAJOTA QUEIMADA

5.311 425 4.886 4.771

30 30 30

0,26 0,48 0,26

410.689 1.035.369

0,6 1,4

TELHA SEXTAVADA CRUA ÁGUA CONTIDA NAS TELHA SEXTAVADA (8%) TELHA SECA TELHA SEXTAVADA QUEIMADA

8.453 676 7.776 7.613

30 30 30

0,26 0,48 0,26

653.615 1.647.798

0,9 2,3

ÁGUA NA LENHA

2.300

30

1,00

2.223.180

3,1

AR DE COMBUSTÃO ESTEQUIOMÉTRICO(4,705KG/KG) EXCESSO DE AR (121%)

69.211 83.745

30 30

0,248

8.722.855

12,2

GASES DE COMBUSTÃO(5,136 KG/KG DE LENHA) ESTEQ.

75.551

0,248

7.869.346

11,0

1,00

6.434.904

9,0

3.331.440

4,7

ÁGUA NOS GASES DE COMBUSTÃO(0,563KG/KG DE LENHA) RADIAÇÃO, CONVECÇÃO

8.282

30 30

CALOR DE SAÍDA

50.946.228

PERDAS NA ESTRUTURA E OUTRAS

20.502.087

28,7

CALOR TOTAL DE SAÍDA

71.448.315

100,0

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ANEXO 2 – Balance de masa y energía - Horno 2 BALANÇO DE MASSA E ENERGIA - FORNO 2 PRODUTOS ENTRADAS TOTAL DE LENHA COM UMIDADE CALOR DA REAÇÃO DA ARGILA TOTAL DE ENERGIA COM LENHA ÚMIDA

MASSA(KG)

TEMP.

CALOR ESP. POD. CAL.

19.010

4.184

CALOR TOTAL

%

79.537.840 2.098.375 81.636.215

97,4 2,6 100,0

SAÍDAS CANALETA CRUA ÁGUA CONTIDA NAS CANALETAS (8%) CANALETA SECA CANALETA QUEIMADA

7.339 587 6.752 6.610

30 30 30

0,26 0,48 0,26

447.713 1.316.545

0,5 1,6

TELHA CRUA ÁGUA CONTIDA NAS TELHAS (8%) TELHA SECA TELHA QUEIMADA

67.675 5.414 62.261 61.018

30 30 30

0,26 0,48 0,26

5.064.227 12.140.827

6,2 14,9

LAJOTA CRUA ÁGUA CONTIDA NAS LAJOTAS (8%) LAJOTA SECA LAJOTA QUEIMADA

7.205 576 6.628 6.472

30 30 30

0,26 0,48 0,26

539.156 1.292.555

0,7 1,6

TELHA SEXTAVADA CRUA ÁGUA CONTIDA NAS TELHA SEXTAVADA (8%) TELHA SEXTAVADA SECA TELHA SEXTAVADA QUEIMADA

9.016 721 8.295 8.120

30 30 30

0,26 0,48 0,26

674.685 1.617.470

0,8 2,0

ÁGUA NA LENHA

2.985

1,00

2.791.767

3,4

0,248

10.467.510

12,8

9.443.292

11,6

8.161.826

10,0

2.902.200

3,6

AR DE COMBUSTÃO ESTEQUIOMÉTRICO(4,705KG/KG) EXCESSO DE AR (121%)

89.442 108.225

GASES DE COMBUSTÃO(5,136 KG/KG DE LENHA) ESTEQ.

97.635

ÁGUA NOS GASES DE COMBUSTÃO(0,563KG/KG DE LENHA)

10.703

RADIAÇÃO, CONVECÇÃO

30

0,248

CALOR DE SAÍDA

56.859.774

PERDAS NA ESTRUTURA E OUTRAS

24.776.441

30,3

CALOR TOTAL DE SAÍDA

81.636.215

100,0

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Balance de Energía Horno 1 (con recuperación de calor, arriba)/ Horno 2 (sin recuperación de calor, abajo) Pérdida en el agua de combustión Pérdida de gases secos en la Combustión

Pérdida exceso de aire de Combustión Agua en la leña

Calor Fornecido

Agua en la arcilla

Leña (86,1%) + Calor de reacción (2,7%) + Calor recuperado (11,2%) = 71,5 Mcal

Calor en el Producto quemado

Radiación y otras pérdidas

Calor en la estructura del horno

Pérdida de agua en la Combustión

Calor Fornecido

Pérdida de gases secos en la Combustión 11,6%

Pérdida exceso de aire de combustión

Leña (97,4%) + Calor de reacción (2,6%) = 81,6 Mcal

Radiación y otras pérdidas

Agua en la leña Agua en la arcilla

Calor en el Producto quemado

Calor en la estructura del horno

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Anexo 3 – Balance de energía del sistema compuesto por los hornos 1 y 2 BALANÇO DE MASSA E ENERGIA - SISTEMA PRODUTOS ENTRADAS TOTAL DE LENHA COM UMIDADE CALOR DA REAÇÃO DA ARGILA TOTAL DE ENERGIA COM LENHA ÚMIDA

MASSA(KG)

TEMP.

CALOR ESP. POD. CAL.

CALOR TOTAL

4.184

140.687.620 4.000.048 144.687.668

97,2 2,8 100,0

577.423 1.820.829

0,4 1,3

9.651.824 23.745.669

6,7 16,4

952.208 2.342.647

0,7 1,6

1.329.003 3.269.649

0,9 2,3

33.625

%

SAÍDAS TIJOLO CRÚ ÁGUA CONTIDA NOS TIJOLOS (8%) TIJOLO SECO TIJOLO QUEIMADO

9.728 778 8.950 8.740

30 30 30

0,26 0,48 0,26

TELHA CRUA ÁGUA CONTIDA NAS TELHAS (8%) TELHA SECA TELHA QUEIMADA

126.864 10.149 116.715 114.386

30 30 30

0,26 0,48 0,26 0,26

LAJOTA CRUA ÁGUA CONTIDA NAS LAJOTAS (8%) LAJOTA SECA LAJOTA QUEIMADA

12.516 1.001 11.515 11.242

30 30 30

0,26 0,48 0,26

TELHA SEXTAVADA CRUA ÁGUA CONTIDA NAS TELHA SEXTAVADA (8%) TELHA SEXTAVADA SECA TELHA SEXTAVADA QUEIMADA

17.469 1.397 16.071 15.733

30 30 30 30

0,26 0,48 0,26 0,26

CANALETA CRUA ÁGUA CONTIDA NAS CANALETAS (8%) CANALETA SECA CANALETA QUEIMADA

7.339 587 6.752 6.610

30 30 30

0,26 0,48 0,26

558.321 1.373.595

0,4 0,9

ÁGUA NA LENHA

2.300

30

1,00

2.187.300

1,5

0,248

16.473.670

11,4

AR DE COMBUSTÃO ESTEQUIOMÉTRICO(4,705KG/KG) EXCESSO DE AR (121%)

158.206 191.430

GASES DE COMBUSTÃO(5,136 KG/KG DE LENHA) ESTEQ.

172.699

ÁGUA NOS GASES DE COMBUSTÃO(0,563KG/KG DE LENHA) RADIAÇÃO, CONVECÇÃO

18.931

0,248

14.861.765

10,3

14.046.014

9,7

6.233.640

4,3

CALOR DE SAÍDA

99.423.556

PERDAS NA ESTRUTURA E OUTRAS

45.264.112

31,3

144.687.668

100,0

CALOR TOTAL DE SAÍDA

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Anexo 4 – Hornos redondos de llama reversible

Foto 1 – vista hornilla

Foto 2 – vista del horno

Foto 3 – vista interior del horno

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Foto 4 – carro de leña

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Anexo 5 – Curvas de temperatura de los hornos Horno 1 1200

1000

800

TETO

600

PISO

400

200

20/8 14:24

20/8 09:36

20/8 04:48

20/8 00:00

19/8 19:12

19/8 14:24

19/8 09:36

19/8 04:48

0

En el horno 1 con recuperación de calor del horno 2 fueron instalados dos termopares para monitorear las temperaturas de quemada, uno instalado en el interior del techo y otro instalado en el piso interior del horno. La curva azul registrada en el gráfico con el termopar instalado en el interior del techo del horno muestra el inicio de la quemada con la temperatura de aproximadamente 3000C, como resultado del calentamiento con el calor de recuperación del horno 2, por el tiempo de aproximadamente 20 hs antes de la quemada. La curva azul registrada en el gráfico con el termopar instalado en el interior del techo del horno muestra el inicio de la quemada con la temperatura aproximada de 3000C, como resultado del calentamiento con el calor de recuperación del horno 2, por el tiempo aproximado de 20hs antes de la quemada. Al iniciar la quemada se observa un aumento casi vertical hasta alcanzar 7000C en un periodo de apenas 4 horas y a partir de ese punto permanece oscilando entre 8000C y 9000C debido a una turbulencia y cambio de dirección del flujo de los gases en ese punto y con intercambio de calor de los gases de combustión con la carga en la parte superior del horno hasta completar el período de quemada de 24 horas programado.

La temperatura registrada con un termopar instalado en el piso del interior del horno (curva roja registrada en el gráfico) se inicia a partir de 1000C, permaneciendo en ese nivel por aproximadamente 5 horas, para después aumentar con un gradiente de aproximadamente 450C/h, hasta alcanzar la temperatura máxima de 6800C, como resultado de que los gases de

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combustión bajan de la parte superior del horno intercambiando calor con la carga de forma continua y uniforme, hasta la entrada de la chimenea. Horno 2 1000 900 800 700 600 TETO

500

PISO

400 300 200 100

19/8 14:24

19/8 09:36

19/8 04:48

19/8 00:00

18/8 19:12

18/8 14:24

18/8 09:36

18/8 04:48

18/8 00:00

17/8 19:12

17/8 14:24

0

Similarmente en el horno 2, la curva azul registrada en el gráfico corresponde a la temperatura del termopar instalado en el interior del techo del horno y muestra el inicio de la quemada con la temperatura aproximada de 1000C, la misma que va aumentando de forma totalmente aleatoria hasta alcanzar aproximadamente 9000C, en un período de 15 horas y a partir de ese punto permanece oscilando en torno de 9000C en una forma irregular debido ala turbulencia y cambio de dirección del flujo de los gases en ese punto y con intercambio de calor de los gases de combustión con la carga en la parte superior del horno hasta completar el período de quemada de 40 horas programado. La curva roja registrada en el gráfico con un termopar instalado en el piso, en el interior del horno, se inicia a partir de 300C, aumentando lentamente hasta alcanzar 1000C en un período de 14 horas para luego elevar la temperatura gradualmente hasta alcanzar la máxima temperatura de 7800C, con los gases de combustión que bajan de la parte superior del horno e intercambiando calor con la carga de forma continua y uniforme, hasta la entrada para la chimenea.

Anexo 6 – Equipos empleados Fluke Hydra Series II modelo 2625A Termómetro digital, sensor tipo K – Salvterm 1.200 k Medidor de Humedad Testo 606-2 Analizador modelo Testo 400 con sonda anemómetro de alta temperatura

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