USO EFICIENTE DE LA ENERGIA EN LA PRODUCCION DE LADRILLOS A PEQUEÑA ESCALA

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1 USO EFICIENTE DE LA ENERGIA EN LA PRODUCCION DE LADRILLOS A PEQUEÑA ESCALA Autores: Emilio Mayorga, Teodoro Sánchez Programa de Energía ITDG-Perú hidro@itdg.org.pe, teo@itdg.org.pe 1. RESUMEN Este trabajo presenta los principales resultados de la evaluación de quemas de ladrillos, obtenidos durante la ejecución de un proyecto orientado hacia el empleo eficiente y racional de la energía en los diferentes procesos de la producción de ladrillos, en pequeña escala, así como al desarrollo de una metodología de transferencia tecnológica en esta área, para asegurar la sostenibilidad de los resultados logrados durante su ejecución. Se concluye que es conveniente promover la sustitución de leña por carbón mineral u otros desechos agroindustriales, no sólo por razones ecológicas sino económicas. Sin embargo para asegurar la continuidad de los trabajos que se vienen desarrollando, es necesario capacitar a los productores en los aspectos tecnológicos, empresariales y de comercialización de insumos y productos. Foto ITDG: Carga de un horno ladrillero artesanal en Piura 2. INTRODUCCION Se trabajó en la sustitución de leña (empleada tradicionalmente), por carbón mineral en el proceso de quema; evaluándose comparativamente los resultados de ambas técnicas para definir la más adecuada a las condiciones de zonas rurales seleccionadas en Piura y Ayacucho. Adicionalmente se han evaluado, como potenciales combustibles alternativos, algunos desechos agroindustriales como la cascarilla de arroz. De igual modo se han analizado diferentes técnicas de moldeo y secado, en diferentes lugares del país y del exterior, para determinar tecnologías probadas que puedan ser adaptadas a las condiciones socioeconómicas de los productores seleccionados. Por último, se han efectuado ensayos de resistencia de los ladrillos producidos con una y otra tecnología, para comparar en forma preliminar la efectividad de los resultados. Se ha suscrito un convenio con el Servicio de Capacitación para la Industria de la Construcción - SENCICO, entidad Estatal con oficinas descentralizadas, orientado a asegurar la sostenibilidad del proyecto a través de la transferencia de los resultados finales que se obtengan. Por otra parte, se han iniciado coordinaciones con el Instituto de Transferencia de Tecnologías Apropiadas del Convenio Andrés Bello, que trabaja en los Países Andinos, Panamá y España, para la difusión internacional de los resultados. 3. DESARROLLO De acuerdo a los estudios elaborados por el proyecto en sus etapas de formulación y ejecución, se han estimado en dos mil el número de pequeños productores. Sólo en los Departamentos de Ayacucho y Piura, se consiguió información directa de 197 pequeñas empresas. Las capacidades de producción, están definidas básicamente por las capacidades de los hornos que emplean y que en las zonas de evaluación son:

2 Piura Ayacucho Alto Mayo Cajamarca de 04 a 14 millares de ladrillos de 15 a 30 millares de 05 a 25 millares de 15 a 30 millares El principal problema que enfrentan los productores rurales en Ayacucho, Cajamarca, Piura y San Martín, es la creciente escasez de leña para los procesos de quema. El motivo es el acelerado avance de la desertificación, que representa una pérdida de bosques de mas de 22,000 ha anuales sólo en la costa norte. Conviene mencionar que la especie forestal que se emplea preferentemente para producir carbón para su uso en pollerías o leña para quema de ladrillos es el algarrobo, cuyos bosques se encuentra en peligro permanente de desaparición. ITDG ha evaluado el consumo típico de leña en un horno pequeño en Piura, para la quema de 12 millares de ladrillos; para ello se requieren 8.5 toneladas. Considerando que el productor efectúa un promedio de 10 quemas al año, su consumo anual será de 85 toneladas de madera por lo general de algarrobo, lo que representa la tala promedio de 8 ha, o lo que es lo mismo de 520 árboles de algarrobo por año. En los Departamentos de Cajamarca, San Martín y Ayacucho, el problema de la escasez de leña y su demanda para quema de ladrillos, también reviste caracteres alarmantes. En zonas como Ayacucho y Trujillo, donde antes se empleaba sólo madera o combustible Diesel en la quema de ladrillos artesanales, debido a la escasez mencionada y al sinceramiento del precio de los combustibles derivados del petróleo a partir de los años noventa, ahora emplean principalmente las quemas mixtas. Usan principalmente carbón mineral en la carga del horno, mientras que el Diesel o la madera son empleados sólo durante el encendido, reduciendo así los costos de producción. En zonas de Piura, como Catacaos, se emplea también la cascarilla de arroz como combustible, sin embargo este uso no está difundido principalmente porque las experiencias no están sistematizadas. Estos antecedentes, así como otros reportados por diferentes entidades que laboran en UK, Zimbabwe, Bolivia, Brasil y Ecuador, orientaron las primeras actividades de selección de técnicas probadas que puedan ser adaptadas a los requerimientos de las empresas ladrilleras seleccionadas en las zonas de trabajo del proyecto. De igual modo el equipamiento accionado a motor para moldeo de ladrillos usado en Moyobamba, así como la información sobre equipos de baja potencia empleados en UK y Zimbabwe, orientan nuestras actividades de adaptación de tecnología apropiada para tal fin. Durante el primer año del proyecto, se desarrollaron estudios base, se investigó bibliografía y se recopiló información sobre experiencias previas sobre el tema. Ese primer año culminó con un Taller de intercambio de información, en el que fuera de los trabajos ejecutados en Perú, destacaron los aportes de la Escuela Superior Politécnica del Litoral de Guayaquil - ESPOL sobre investigaciones bibliográficas y de campo, así como de IT-UK e IT-Zimbabwe con información sobre sus experiencias y con el avance en una metodología estándar para evaluación de quemas en diferentes hornos, con propósitos comparativos. Las actividades de campo posteriores, a partir de abril de 1998, se basan en los resultados obtenidos el primer año. Podemos separarlas en 4 temas: quema en el horno, equipos para los procesos, evaluaciones de insumos/productos y transferencia de resultados. En el presente trabajo, se presentan resultados sobre quemas y evaluaciones de insumos/productos. 3.1 Quemas La bibliografía coincide en asignar rangos similares para el consumo de energía, según el tipo de horno empleado, de simple, media o avanzada tecnología. La tabla 1, muestra la energía especifica consumida al calor necesario para quemar un kilogramos de ladrillos. Evaluaciones efectuadas por ESPOL, que incluyen mediciones, encuestas y estimaciones, han concluido que los hornos usados en Ecuador de los tipos Clamp y Escocés, se encuentran en dichos rangos. En base a la información mencionada y a las características de los hornos de los productores nacionales, se decidió trabajar con los hornos tipo escocés; que se caracterizan por

3 tener paredes fijas, con zonas abiertas para el ingreso del material, que luego se sellan al igual que el techo durante la quema, para volver a abrirse durante la descarga. Al respecto es posible estimar teóricamente la cantidad mínima de energía, vale decir de combustible, necesaria para quemar un kilogramo de ladrillo, a una atmósfera de presión y con valores típicos de humedad de 3%, temperatura ambiente de 20ºC y temperatura de sinterización de 1000ºC (ver Anexo). Tabla 1: energía específica consumida al calor necesario para quemar un kg de ladrillos. Tecnología Energía Específica de quema Simple 3,5 a 8,0 MJ/kg Clamp Media 2,3 a 6,5 MJ/kg Escocés Alta 1,0 a 2,5 MJ/kg Hoffman Horno Típico Esta energía tiene tres componentes: Calor necesario para elevar la temperatura del agua contenida en el ladrillo húmedo hasta la temperatura de evaporación; calor necesario para convertir el líquido saturado en vapor saturado y calor necesario para elevar la temperatura de la masa del ladrillo desde la temperatura ambiente a la temperatura de sinterización. La energía total requerida, para quemar un kg de ladrillo en las condiciones típicas asumidas, es: Q Total = 0.81 MJ/kg Por lo tanto los valores de energías específicas de quema inferiores a este valor mínimo teórico, no serían confiables e indicarían posibles errores cometidos durante la evaluación. Por otra parte, de acuerdo a la información encontrada sobre consumos específicos de energía en los hornos escoceses, encontrar valores menores a 2.3 MJ/kg indicarían ensayos no confiables o que la información internacional existente sobre el tema debe ser complementada. Por todo lo expuesto, el conocimiento previo del poder calorífico del combustible o combustibles a ser usados en un ensayo, es requisito fundamental para calcular sus cantidades adecuadas para la quema. Aplicar la metodología de evaluación desarrollada por el proyecto, no sólo es útil para determinar el consumo específico de energía durante el proceso de quema, sino que a partir del resultado obtenido, permite determinar posibles errores en las mediciones o una estimación inadecuada de la cantidad del combustible empleado en la quema. Se han evaluado 13 quemas en Piura y Ayacucho, empleando la metodología desarrollada por el proyecto. Se acompañan dos formatos de monitoreo, en los que se aprecia que la quema con madera (Formato 7), arroja resultados sobre el consumo específico de energía que se encuentran en el rango reportado. Sin embargo la quema empleando carbón mineral (Formato 13), muestra un consumo inferior, lo que sólo puede explicarse si los rangos reportados por la bibliografía sólo corresponden a quemas de ladrillo empleando madera. 3.2 Evaluaciones de insumos/productos Combustibles Las evaluaciones del combustible para determinar su poder calorífico neto, encargadas a laboratorios que emplean normas ASTM son muy costosas. Cada ensayo para determinar el poder calorífico neto, supera los UIS$ 118, ya que según normas se debe determinar previamente el contenido de hidrógeno o usar una bomba calorimétrica, que no es muy común en nuestros laboratorios comerciales. Inicialmente se mandaban hacer dichos análisis, pero ahora se manda hacer sólo el análisis inmediato (humedad, volátiles, cenizas, y carbono), determinándose teóricamente con una aproximación del 3% el poder calorífico neto, lo cual es suficiente para propósitos del proyecto. El combustible empleado es cisco de carbón, antracítico en Piura y semi bituminoso en Ayacucho, con poderes caloríficos netos típicos de 26,000 y 17,000 kj/kg respectivamente. Los contenidos de azufre de los carbones nacionales es bajo de 0.5%. Por otra parte la madera de

4 algarrobo usada en Piura tiene un poder calorífico neto de 15,500 kj/kg, mientras que la madera de eucalipto empleada en Ayacucho tiene 18,000 kj/kg. Se ha evaluado también la posibilidad de emplear cascarilla de arroz como combustible alternativo, con un poder calorífico neto de 13,300 kj/kg Ladrillos Con relación a la calidad de los ladrillos producidos, las normas técnicas peruanas sobre el tema son las normas ITINTEC , y En ellas se consideran cinco calidades de ladrillo. Los ladrillos artesanales corresponden a las dos primeras categorías I y II, con resistencia y durabilidad bajas, en condiciones de servicio con exigencias mínimas o condiciones de servicio moderadas. En ambos casos los requisitos obligatorios que imponen las normas son alternativamente evaluar la resistencia a la compresión o la densidad. Si sólo se evalúa la densidad del ladrillo, esta debe tener un valor mínimo de 1.5 gr/cm3 en la clase I, y 1.6 gr/cm3 en la clase II. Si sólo se evalúa la resistencia a la compresión, esta debe tener un valor mínimo de 60 N/cm2 en la clase I y 60 N/cm2 en la clase II. La clase III, exige ya como requisito una resistencia mínima a la compresión de 95 N/cm2 y simultáneamente una densidad mínima de 1.6 gr/cm3. Lo cual en caso de ladrillos artesanales es muy difícil de conseguir. Si bien parece más fácil evaluar la densidad que la resistencia a la compresión, las normas especifican las metodologías a seguir para determinarla, lo que incluye tener balanzas de 0.5 gr. de precisión y muflas (hornos), así como accesorios. Ello obliga a recurrir a laboratorios. el costo de cada ensayo varía de 27 a 45 dólares, pues se requiere de tres a cinco ladrillos como lote mínimo para determinar valores promedio. Evaluaciones aproximadas de la densidad efectuadas por ITDG, indican que en los últimos ensayos, la metodología de quema tradicional mixta (carbón en la carga y leña en el encendido), en Ayacucho produciría ladrillos de Clase I, mientras que la tecnología que viene adaptando ITDG (carbón en la carga y briquetas de carbón en el encendido), produciría ladrillos de clases I y clases II. Los resultados de laboratorio confirmaron que la calidad de los ladrillos obtenidos con la segunda alternativa de encendido para la quema es superior, según se aprecia en el siguiente cuadro, sin embargo es conveniente confirmar estos resultados preliminares con evaluaciones posteriores. Tabla 2: Ensayo de rotura a la compresión de unidades de albañilería cocida, según Norma ITINTEC MUESTRAS Carga promedio de rotura a la compresión Encendido con briquetas (04 muestras) 122 kg/cm 2 Encendido con leña 1 (02 muestras) 59 kg/cm 2 Encendido con leña 2 (03 muestras) 93 kg/cm 2 Encendido con leña 3 (03 muestras) 82 kg/cm 2 Trabajos en Piura y Ayacucho. En la costa norte, desde Tumbes hasta Lambayeque está prohibido el empleo de leña para propósitos no domésticos, por tal motivo las actividades ejecutadas en Piura, en La Huaca, correspondieron inicialmente a la adaptación de la técnica del empleo de carbón mineral en la carga del horno, junto con los ladrillos, para sustituir parcialmente la madera, que es usada sólo para el encendido. El resultado ha sido satisfactorio, con una apropiación parcial de los ladrilleros, quienes combinan su tecnología tradicional con la tecnología adaptada. El hecho de que no apliquen aún masivamente las quemas mixtas, se debe a dos motivos: el primero es la existencia de contrabando de leña que es ofrecido al crédito; un segundo motivo es que deben fletar especialmente un camión desde Trujillo, con un mínimo de carga que es superior a su capacidad de compra individual; por ello requieren de una coordinación entre varios de los productores para hacer un pedido, lo que no siempre es posible. Otras actividades iniciadas en La Huaca, para adaptar el empleo de briquetas de carbón, para el encendido del horno, no han dado aún el resultado esperado.

5 Las actividades de adaptación desarrolladas en La Compañía, Ayacucho, se orientaron sólo hacia el empleo de briquetas para el encendido, ya que los productores habían adaptado con anterioridad al proyecto, la técnica de quema mixta, reemplazando madera por carbón sólo en la carga de ladrillos dentro del horno. Esta adaptación viene brindando resultados satisfactorios pero hace falta afinarlos. Para no depender de la disponibilidad de hornos de los productores de la zona para hacer los ensayos y para ejecutar actividades de capacitación, se ha construido un horno con una capacidad de 23 millares de ladrillos. Este horno ha sido empleado en la última evaluación efectuada en Ayacucho con la técnica de uso briquetas para el encendido con resultado satisfactorio. En las Tablas 3 y 4, se presentan los costos de producción de ladrillos en Piura empleando la quema tradicional con madera y la quema mixta con carbón, resultando económicamente más favorable la segunda alternativa. Foto ITDG: Briquetas de carbón y horno construido en Ayacucho 4.- CONCLUSIONES De acuerdo a las experiencias de evaluación de quema efectuados por el proyecto: El consumo específico de combustible en hornos escoceses, se encuentra en el rango de 0.93 a 2.11 kj/kg, lo cual es inferior a los valores reportados por la bibliografía. Esto indicaría que el consumo específico de combustible empleando carbón mineral es inferior al consumo empleando leña. El uso de briquetas de carbón mineral en el encendido del horno, aumenta la resistencia a la rotura por compresión de los ladrillos fabricados artesanalmente. La determinación del poder calorífico neto teóricamente a partir del análisis inmediato, es suficiente para la evaluación de los carbones nacionales usados en quemas artesanales, con una buena aproximación. Se recomienda emplear la metodología Goutal. Para la difusión de las técnicas de quema con carbón es conveniente apoyar a los productores en los aspectos de administración y comercialización de insumos y productos, un apoyo económico inicial a productores organizados, para la compra de unas 20 toneladas de carbón, parece lo mas recomendable. Se deben sistematizar y optimizar los procedimientos de quema empleando carbón y cascarilla de arroz, para que las tecnologías puedan difundirse principalmente en los departamentos del norte del Perú. El reemplazo de madera por carbón y/o cascarilla de arroz es no sólo favorable para los ecosistemas sino rentable para los pequeños productores de ladrillo. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS BARRIGA, A. Análisis de operación de Industrias Ladrilleras en Ecuador: Aplicaciones al Uso Racional de Leña, ESPOL, Guayaquil BEAMISH, A., Village-Level Brickmaking, GATE, Eschborn CIPCA, Potencial Forestal de la Región Grau, Piura CIPCA, Potencial Forestal de la Región Lambayeque, Piura LANGE S. Handbook of Chemistry, Mc. Graw Hill, Onceava edición. MASON, K., Envolving a Standard to compare the Energy Efficiency of Brick Firing Processes, ITDG, Harare MAYORGA, E. Adaptación de Tecnologías de producción de ladrillos en zonas rurales del Perú, ITDG, Lima MERSCHMEYER, G., Handbook for Village Brickmakers in Africa, MISEREOR, Aachen VILLAVECCHIA, V. Tratado de Química Aplicada Tomo III, Gustavo Gili SA, Tercera edición, Barcelona 1949.

6 Productor: Víctor Carmen FORMATO DE MONITOREO 07 Lugar: La Huaca, Paita. Tipo de horno: 3 túneles, Escocés. Tamaño: 3.4 m x 3.0 m x 3.0 m Poder calorífico (kj/kg): Algarrobo Bruto = 17, kj/kg Neto = 15, kj/kg Contenido de humedad= (%) Contenido de humedad en el ladrillo: 1.67 % Calculo de consumo específico de energía: Masa de ladrillos húmedos = 26, Kg Contenido total de agua = Kg Enegía de secado = 1 151, KJ Energía de la madera = , KJ Energía bruta = , KJ Energía de quema = , KJ Masa de ladrillos quemados = Energía específica de quema = Tipo de combustible: Leña de algarrobo No. de ladrillos crudos cargados en el horno: 6350 Método de moldeo: Moldeo húmedo 24, Kg 3.23 MJ/Kg Datos de quema: Inicio: 20 junio :00 Fin: 21 junio :00 Masa de combustible (kg): 5100 (algarrobo) Masa de ladrillos: Húmedos = 4.20 kg Secos = 4.13 kg Quemados= 3.08 kg Condiciones del clima: Seco, caluroso ligero viento. Calidad de la información: (i) temperatura de vitrificación: 1150 ºC (ii) Anillos Buller número: 55 (iii) Temperatura máxima: 970 ºC (iv) Tiempo de quema : 23 h Comentarios: Calidad de ladrillos: Comerciales 95%, subquemados y rotos 5%. Productor: Horno ITDG, Martha Jara Tipo de horno: 3 túneles, Escocés Tamaño: 3.8 m x 4.8 m x 4.0 m Poder calorífico (kj/kg): (i) Eucalipto Bruto = 19, kj/kg Neto = 18, kj/kg Contenido de humedad = 8.90 (%) (ii)carbón Bruto = 17, kj/kg Neto = 16, kj/kg Contenido de humedad = 5.28 (%) Contenido de humedad en el ladrillo: % Calculo del consumo específico de energía: Masa de ladrillos húmedos = 81, Kg Contenido total de humedad = 10, Kg Energía de secado = , KJ Energía de la madera = , KJ Energía del carbón = , KJ Energyía bruta = , KJ Energía de quema = , KJ Masa de ladrillos quemados = 65, Kg Energía específica de quema = 0.93 MJ/Kg FORMATO DE MONITOREO 13 Lugar: La Compañía, Ayacucho. Tipo de combustible: Leña de eucalipto & Cisco de carbón semi bituminoso No. de ladrillos crudos cargados en el horno: Método de moldeo: Moldeo húmedo Datos de quema: Inicio: 30 July :00 Fin de madera: 31 July :00 Fin de carbón: 4 Aug :00 Masa de combustibles (kg): 1093 (eucalipto) 4125 (carbón) Masa de ladrillos: Húmedos = 3.53 kg Secos = 3.07 kg Quemados = 2.83 kg Condiciones del clima: Seco, caluroso, ligero viento después de las 12:00:00 y lluvia esporádica. Calidad de la información: (i) Temperatura de vitrificación: 1050 ºC (ii) Barras Holdcroft número: 9, 11, 13 y 15 (iii) Temperatura máxima: 940 ºC (iv) Tiempo de quema 115 h Comentario: La madera se usó solamente para iniciar la ignición de las briquetas. Calidad de los ladrillos: Comerciales 60.6%, subquemados 56.6%, sobrequemados y rotos 7%.

7 Tabla 3: Quema tradicional, de ladrillos (45,6 toneladas) en Piura MATERIALES CANTIDAD PRECIO UNITARIO [S/.] SUB-TOTAL [S/.] 1.- Arcilla 48 ton 2.- Agua 3840 gal 0,024 92, Arena 48 ton 8.- Combustible: -Leña -Guano 8,5 ton 76,50 650,25 20,00 TOTAL materiales 762,41 SERVICIOS OPERARIOS TIEMPO [Días] SALARIO [S/.] SUB-TOTAL [S/.] 1.- Extracción de arcilla 3.- Extracción de arena 4.- Amasado 5.- Moldeado ,6 324, Secado Trans. puerta horno , Cargado del horno ,5 7, ,00 7, Encendido 11.- Quema , Enfriamiento ,00 Dirección 30,00 COSTO TOTAL: S/. 1398,41 = US$ 527,70 TOTAL servicios [S/.] 636,00. Tabla 4. Quema mixta (madera-carbón), de ladrillos (45,6 toneladas) en Piura MATERIALES CANTIDAD PRECIO UNITARIO [S/.] SUB-TOTAL [S/.] 1.- Arcilla 48 ton 2.- Agua 3840 gal 0,024 92, Arena 48 ton 8.- Combustible -Madera de algarrobo -Carbón -Guano 4,25 ton 1,4 ton 76,50 160,00 325,13 224,00 20,00 TOTAL materiales 661,29 SERVICIOS OPERARIOS TIEMPO [Días] SALARIO [S/.] SUB-TOTAL [S/.] 1.- Extracción de arcilla 3.- Extracción de arena 4.- Amasado 5.- Moldeado ,6 324, Secado Trans. puerta horno , Cargado del horno ,5 7,5 7 75,00 7, Encendido 11.- Quema , Enfriamiento ,00 Dirección 30,00 COSTO TOTAL: S/ ,27 = US$ 489,54 TOTAL servicios [S/.] 636,00 Datos a octubre 1997 (1US$ = S/. 2.65)

8 ENERGIA REQUERIDA PARA QUEMAR UNA UNIDAD DE MASA DE LADRILLO Esta energía tiene tres componentes: a) Calor necesario para elevar la temperatura del agua desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de evaporación a una atmósfera (100 kpa), es decir a 100ºC. Según las tablas termodinámicas, el calor específico del agua a 0ºC es de kj/kg-ºk, a 27ºC es de kj/kg-ºk y a 100ºC es kj/kg-ºk. Se aprecia una variación insignificante de este valor en el rango de 0ºC a 100ºC. Tomando un valor promedio de estos tres valores se puede asumir para el calor específico del agua en dicho rango de temperaturas. El calor requerido para elevar la temperatura del agua será: Q1= 0.03 kg x 4.2 kj/kg-ºk x (100-20)ºK = kj b) Calor necesario para convertir el líquido saturado en vapor saturado a las mismas condiciones de presión y temperatura. De las tablas termodinámicas, las entalpías de vapor saturado y líquido saturado a 100ºC y una atmósfera de presión, son y kj/kg respectivamente. Por lo tanto, el calor requerido para cambio de estado será: Q2= 0.03 kg x ( ) kj/kg = kj c) Calor necesario para elevar la temperatura de la masa del ladrillo desde la temperatura ambiente a la temperatura de sinterización. Tomando en consideración que la temperatura de sinterización del ladrillo es de 950ºK y estimando en 0.75 kj/kg-ºk el calor específico promedio de la masa de ladrillo, el calor necesario para llegar a la temperatura de sinterización será: Q3= 0.75 kj/kg-ºk x 1 kg x ( ) ºK = 735 kj Sumando estos tres componentes tendremos la energía total requerida para quemar un kg de ladrillo en las condiciones típicas asumidas. Q Total = 0.81 MJ/kg Artículo presentado en el VII Simposio Peruano de Energía Solar, Piura Perú, Diciembre, 1998