AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA

Transcripción

1 UPME

2 ELABORADO POR: UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO GRUPO DE GESTIÓN EFICIENTE DE ENERGÍA, KAI: DR. JUAN CARLOS CAMPOS AVELLA, INVESTIGADOR PRINCIPAL. MSC. EDGAR LORA FIGUEROA, COINVESTIGADOR. MSC. LOURDES MERIÑO STAND, COINVESTIGADOR. MSC. IVÁN TOVAR OSPINO, COINVESTIGADOR. ING. ALFREDO NAVARRO GÓMEZ, AUXILIAR DE INVESTIGACIÓN. UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍAS, GIEN: MSC. ENRIQUE CIRO QUISPE OQUEÑA, COINVESTIGADOR. MSC. JUAN RICARDO VIDAL MEDINA, COINVESTIGADOR. MSC. YURI LÓPEZ CASTRILLÓN, COINVESTIGADOR. ESP. ROSAURA CASTRILLÓN MENDOZA, COINVESTIGADOR. ASESOR MSC. OMAR PRIAS CAICEDO, COINVESTIGADOR. UN PROYECTO DE LA UNIDAD DE PLANEACIÓN MINERO ENERGÉTICA DE COLOMBIA (UPME) Y EL INSTITUTO COLOMBIANO PARA EL DESARROLLO DE LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA. FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS (COLCIENCIAS).

3 CONTENIDO Pág. 1. INTRODUCCIÓN PROCESO PRODUCTIVO RECEPCIÓN Y ALMACENAMIENTO DE MATERIAS PRIMAS MOLIENDA CONFORMADO Amasado Moldeo SECADO COCCIÓN Horno Túnel Horno Hoffmann PREPARACIÓN Y ALMACENAMIENTO DEL PRODUCTO DISTRIBUCIÓN DE LOS CONSUMOS DE ENERGÍA PRINCIPALES COMBUSTIBLES UTILIZADOS EN EL SECTOR Características Generales de los Combustibles Comparación de Combustibles MEDIDAS DE AHORRO DE ENERGÍA MEDIDAS DE AHORRO ENERGÉTICO EN EL MOLDEO REUTILIZACIÓN DE PRODUCTOS ANTES DE COCCIÓN AMASADO CON VAPOR DE ARCILLAS MUY PLÁSTICAS CONFORMADO EN SECO (LADRILLO PRENSADO Ó EXTRUSIÓN DURA) MEDIDAS DE AHORRO ENERGÉTICO EN EL SECADO Utilización de Aditivos Recuperación del Calor Sensible de los Humos de Hornos Recuperación de Calores Residuales Utilización de Aislamientos Utilización de Sistemas de Control Utilización de Secaderos Continuos Empleo de la Bomba de Calor Mejoras en Distribución de Aire en Secaderos MEDIDAS DE AHORRO ENERGÉTICO EN LA COCCIÓN Utilización Racional de la Atmósfera del Horno Encañado Óptimo Recirculación de Gases. 20 AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA i

4 Pág Reducción de Pérdidas durante Funcionamiento Intermitente Instalación de Quemadores de Alta Velocidad en el Horno SUSTITUCIÓN DE LÍNEAS HOFFMANN Y SECADORES DE CÁMARAS POR HORNOS Y SECADEROS TÚNEL CONTINUOS INSTALACIÓN DE COGENERACIÓN CAMBIO A GAS NATURAL ASPECTOS AMBIENTALES GENERALES 24 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.. 26 AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA ii

5 1. INTRODUCCIÓN El proceso de fabricación de un producto cerámico está conformado por tres grupos de operaciones. Primero, la preparación de materias primas y productos intermedios (donde ocupan un lugar destacado tanto las arcillas, como las fritas, esmaltes y colorantes). Segundo, la obtención del producto acabado, listo para ser utilizado en el sector de la construcción. Y, en tercer lugar, la distribución, es decir, la colocación del producto acabado en manos del consumidor final. Ampliando la perspectiva al conjunto de la rama cerámica, es necesario destacar otras tres actividades fundamentales que, junto con la producción del azulejo, forman la base de esta rama productiva: la extracción y preparación de arcillas, la industria de fritas, esmaltes y colorantes y la producción y reparación de maquinaria. La materia prima principal del proceso de fabricación de la cerámica, es la arcilla. Existe una gran variedad de arcillas utilizadas en la fabricación de cerámica, las diferencias se reflejan en su composición química que afecta directamente en las propiedades físico-químicas de los productos obtenidos y en las emisiones residuales, generadas durante todo el proceso. También se utilizan en mucha menor proporción, otras sustancias tales como: cuarzo, arena, feldespato, granito, etc. Entre las características más importantes de este sector industrial se pueden citar: Gran disparidad de tamaños y tecnificación de las instalaciones productivas. Fabricación de una gran variedad de productos. Dispersión Geográfica de los centros de producción (ladrillos y tejas). Concentración de los centros de producción en determinadas zonas (pavimentos revestimientos cerámicos). El proceso de fabricación de cerámica estructural puede ser diferente en cada empresa. Las diferencias más notables de los procesos productivos individuales respecto al general se dan en las operaciones de preparación de las materias primas (molienda, humectación, amasado, etc.) y en el moldeo (prensado, extrusión, colada, torneado, etcétera). El proceso de producción general utilizado en la industria cerámica puede verse en la figura 1. AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 3

6 Figura 1. Proceso de Producción de la Industria cerámica. Fuente: Prevención de la Contaminación en el Sector Cerámico Estructural. AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 4

7 2. PROCESO PRODUCTIVO Las etapas del proceso de fabricación de cerámicos, de diverso tipo, a partir de arcilla, se describen a continuación de forma muy general. 2.1 RECEPCIÓN Y ALMACENAMIENTO DE MATERIAS PRIMAS La mayoría de empresas dedicadas al sector cerámico obtienen la materia prima de canteras cercanas al emplazamiento donde se encuentran ubicadas (ya sean propias o ajenas). Esta arcilla sin tratar es transportada mediante camiones hasta el emplazamiento donde se descarga y se almacena hasta su posterior uso. El transporte de las arcillas en el interior de la planta se realiza mediante cintas transportadoras que pueden ser de tres tipos, de acero, de goma o de escamas. Cabe destacar que durante el transporte de las arcillas dentro de la instalación puede existir la emisión de partículas al aire y desprendimientos de materia prima que podrán convertirse posteriormente en residuos. 2.2 MOLIENDA En el proceso de molienda se realiza la trituración de la arcilla sin tratar que provenga directamente de la cantera, y se obtiene la materia prima con la granulometría y textura necesarias para su posterior conformado. Puede llevarse a cabo de dos formas distintas, por vía seca o por vía semi-húmeda. Las arcillas secas y duras se preparan mejor en instalaciones por vía seca. Este tipo de sistema asegura la obtención de un porcentaje importante de partículas finas que se humectan con más facilidad y rapidez, obteniéndose una masa muy homogénea y de mayor plasticidad. Como consecuencia obtenemos un mejor acabado y una mayor resistencia mecánica, tanto del material seco como del producto cocido. Por otro lado, también puede llevarse a cabo este proceso por vía semi-húmeda, donde el proceso de humectación de la arcilla puede comenzar desde el mismo lecho de homogeneización. En estas condiciones el agua queda fuertemente ligada al cristal arcilloso, dando como resultado un aumento de la plasticidad y cohesión de la masa arcillosa, así como un aumento de su resistencia a las tensiones del secado. En algunos casos, la arcilla molida puede ser mezclada con distintos aditivos según los requerimientos de calidad del producto final. Existen distintos tipos de maquinaria para llevar a cabo este proceso según el tipo de molienda que se realice. AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 5

8 Para la rotura de la arcilla en vía semi-húmeda se utiliza el molino de martillo o muelas. Si la trituración se realiza en la mina o cantera, se utiliza la desmenuzadora, que admite desde mineral seco hasta una humedad máxima del 20%. Para el proceso de mezcla es además usual la utilización del rallador alimentador rotativo, que permite obtener una perfecta mezcla entre los aditivos y la arcilla. 2.3 CONFORMADO Amasado La arcilla debe estar lo bastante húmeda (en general entre valores de 12 a 15% de humedad) para que se pueda mantener unida cuando se trabaja. En el amasado se regula el contenido de agua de la mezcla de la arcilla mediante la adición de agua o vapor (el vapor puede provenir de una caldera auxiliar). Para el amasado de la arcilla, en las fábricas de cerámica se utiliza la amasadora, máquina especialmente diseñada para la homogeneización de una mezcla de arcilla y la incorporación de más agua o de colorantes y aditivos. En este proceso se produce un consumo de energía eléctrica debido al propio funcionamiento de la maquinaria, por otro lado la humedad que se debe conseguir en la arcilla se puede proporcionar por dos caminos, adición directa de agua en la pasta, o mediante el vapor producido por una caldera auxiliar Moldeo Aunque la importancia energética del moldeo en el proceso de fabricación de piezas cerámicas es muy pequeña, su influencia sobre el consumo energético es considerable, ya que determina la cantidad agua en las piezas moldeadas y por tanto el consumo energético del secado. En el caso del moldeo el proceso puede diferir en función del material a fabricar. Los sistemas de moldeo más empleados en la industria cerámica son: Moldeo manual: Cerámica artística, ladrillera. Tornos cerámicos: Cerámica artística, vajillas. Colada: Loza sanitaria. Extrusión: Ladrillera. Prensado en semi-seco: Baldosas y azulejos. Prensado en seco: Azulejos, baldosas, refractarios, vajillas y piezas especiales. Los sistemas que producen piezas con menor cantidad de agua son el prensado AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 6

9 en seco (4% de humedad) y el prensado en semi-seco (10-15% de humedad). El sistema de colada es el que produce piezas con mayor contenido en agua. Los sistemas más utilizados de moldeo son la extrusión y el prensado, algunas ventajas e inconvenientes de ambos sistemas se resumen en la tabla 1. Tabla 1. Ventajas e inconvenientes del prensado en seco y la extrusión. PRENSADO EN SECO EXTRUSIÓN VENTAJAS INCONVENIENTES VENTAJAS INCONVENIENTES Admite una amplia gama Pequeña Mayor contenido en agua Mayor capacidad. de materias primas. capacidad. en las piezas crudas. Menor humedad en las Solo admite ciertas Mayor inversión. Menor inversión. piezas crudas. materias primas. Mayor costo de la Menores necesidades Menor libertad de diseño Libertad de diseños. mano de obra. de mano de obra. de las piezas. 2.4 SECADO El objetivo del secado es la reducción del contenido de humedad de las piezas antes de su cocción, es una operación compleja en la que convergen múltiples factores: naturaleza de la arcilla, grado de preparación y homogeneización, tensiones que pueden haber tenido lugar durante el moldeo, diseño y formato de la pieza, uniformidad o desuniformidad de secado, etc. El tipo de secado que se lleve a cabo influirá en la resistencia y calidad final de la pieza después de su cocción. El secado de una pieza cerámica de cualquier tipo transcurre en dos fases: Eliminación del agua de mojado a velocidad constante manteniéndose húmeda la superficie de la pieza. En esta etapa se produce una contracción en la pieza igual al agua eliminada. La velocidad de eliminación del agua decrece manteniéndose seca la superficie de la pieza. La contracción de esta etapa es muy pequeña. El problema fundamental del secado es evitar que la contracción que sufre la pieza origine agrietamientos y roturas. Este condicionante controla la velocidad de secado ya que un secado excesivamente rápido puede agrietar la pieza. Para eliminar estos defectos en las piezas hay que evitar que los gradientes de humedad en la pieza sean excesivamente elevados. Los tipos de secaderos más utilizados y sus principales características se muestran en la tabla 2. AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 7

10 Tabla 2. Tipos de Secaderos. TIPO DE SECADERO Túnel de calor perdido Túnel Estufa de entrada de pie MATERIALES O PIEZAS TRATADOS NORMALMENTE Arcilla prensada Baldosas en cajas Baldosas en paletas 1) Baldosas apiladas 2) Aisladores en bruto MÉTODO DE APLICACIÓN DEL CALOR Directo o a través de un intercambiador de calor Aire impulsado por soplante con control de recirculación Tubos bajo rejillas Conductos de distribución a nivel elevado (a veces provistos de ventiladores de recirculación) MÉTODO DE DESPLAZAMIENTO DE LOS MATERIALES Sobre carretillas metálicas ligeras Sobre carretillas de horno de túnel Tres líneas de 14 carretillas Manual, sobre tableros TIEMPO DE SECADO (APROX.) TEMPERATURA MÁX. APROX. ( O C) ( O F) 16h h h 2-7 días Estufa de alfareros (tipo antiguo) Estufa de alfareros (tipo moderno) Secaderos de cámara (Carrier y tipos similares) Mesa giratoria (1)Múltiple (2)Simple 3) Moldes de escayola Piezas de arcilla en moldes Piezas de arcilla en moldes (principalmente vajilla llana) Aisladores torneados Moldes de escayola (alfarería) Tazas en moldes Tazas en moldes Convección natural Circulación impulsada por soplante con control de recirculación Circulación impulsada por soplante con control de recirculación Una boquilla en cada molde Chorro de aire caliente dirigido hacia abajo Rotación manual, trabajo sobre tableros Rotación manual, colocada una pieza cada vez Sobre estanterías móviles, unidades sobre ruedas o elevables. Rotación manual Rotación manual 24 h h h 2-6 h 20 min 15 min AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 8

11 TIPO DE SECADERO MATERIALES O PIEZAS TRATADOS NORMALMENTE MÉTODO DE APLICACIÓN DEL CALOR MÉTODO DE DESPLAZAMIENTO DE LOS MATERIALES TIEMPO DE SECADO (APROX.) TEMPERATURA MÁX. APROX. ( O C) ( O F) Cinta transportadora 1) Trazas después del tratamiento Chorro de aire caliente dirigido hacia abajo, recirculado Accionado a motor 30 min ) China vidriada por inmersión, clase especial Radiadores encima y debajo de la cinta Accionado a motor 15 min ) Platos y tazas pequeñas Radiadores y soplante Accionado a motor 3-4 min Transportador de cadena (Secaderos de cangilones) 1) Piezas vidriadas por inmersión Radiación y convección natural Accionado a motor 16 h ) Piezas vidriadas por inmersión (hasta 20,3 centímetros, llanas) Circulación con soplante y recirculación, con inyección de aire dentro de las piezas si es preciso Accionado a motor 15 min ) Piezas llanas y hondas en moldes Circulación con soplante y recirculación, con inyección de aire dentro de las piezas si es preciso Accionado a motor Tazas 20 min AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 9

12 2.5 COCCIÓN La cocción es la fase más importante y delicada del proceso de fabricación de productos cerámicos. En este proceso se confiere a la pieza las propiedades deseadas, al mismo tiempo que se muestra si las fases precedentes (amasado, moldeo y secado) se han llevado a cabo correctamente o no. Las piezas se cuecen en hornos, a una temperatura que va desde 875º C hasta algo más de 1000ºC. Los dos tipos de hornos más utilizados en el proceso de cocción son los siguientes: Horno Túnel. El principio del horno de túnel es que está formado por una zona de fuego fija, mientras la mercancía a cocer se desplaza. El principio del horno de túnel es que está formado por una zona de fuego fija, mientras la mercancía a cocer se desplaza. Dentro del horno se distinguen tres zonas: precalentamiento, cocción y enfriamiento. Precalentamiento: en esta zona existe una corriente de aire caliente procedente de la zona de cocción que circula en sentido contrario al material. Normalmente se utiliza como fuente térmica el calor recuperado del horno y se pretende que el material pierda su contenido en agua (tanto la absorbida superficialmente como la estructural) aumentando la temperatura de manera progresiva. Cocción: los quemadores de combustible se ocupan de conseguir la curva de cocción óptima en la parte central del horno. Enfriamiento: el material se somete a enfriamiento progresivo, con el objetivo de evitar grietas en las piezas por un contraste brusco de la temperatura Horno Hoffmann A diferencia del horno túnel, en este caso el material a cocer se mantiene estático, y es el fuego el que se desplaza a lo largo de las distintas cámaras hasta conseguir una curva de cocción de características similares a las generadas en los hornos túnel. Este tipo de horno está formado por una serie de cámaras unidas, que son llenadas por el material seco proveniente del secadero, donde los quemadores se AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 10

13 desplazan de una cámara a otra, cociendo el material. Este sistema también permite el precalentamiento de la mercancía y la refrigeración de los gases de escape. La eficiencia energética de los dos tipos de hornos es diferente, el horno túnel tiene consumo específico medio de 410Kcal/kg frente a las 480 Kcal/kg del Hoffman. Los quemadores del horno, que pueden consumir diversos combustibles (gas natural, fuel oil, coque de petróleo, orujillo), son de varios tipos: De impulsos (verticales) Laterales de precalentamiento De gasificación. 2.6 PREPARACIÓN Y ALMACENAMIENTO DEL PRODUCTO Las piezas, ya terminadas, se depositan apiladas encima de pellets de madera o de las propias piezas y pueden envolverse con plástico retráctil y fleje para facilitar su posterior distribución. Por otro lado, en algunas empresas se humecta el material terminado para aportar la consistencia requerida por el cliente, este proceso se lleva a cabo de dos maneras distintas en función de cada instalación. A través del regado del material con manguera Insertando el producto en piscinas ya preparadas para tal hecho. El almacenamiento puede ser en nave cerrada o a la intemperie. Este proceso puede realizarse de manera manual o mediante la empaquetadora, para la colocación de flejes o retractilado de plástico de los paquetes de material terminado. AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 11

14 3. DISTRIBUCIÓN DE LOS CONSUMOS DE ENERGÍA El consumo de energía es elevado debido a la gran cantidad de maquinaria involucrada en el proceso, en este factor influye el grado de mecanización que tenga la instalación analizada ya que, existen muchos subprocesos que en muchas empresas realizan sin mecanización, sino mediante operarios que se encargan de llevarlos a cabo. Hay que destacar la gran influencia de los costos energéticos en el precio final del producto, oscilando entre el 25 y el 40% según el tipo de producto y de tecnología. En la siguiente tabla se muestran los tipos de energía más utilizados, y se realiza una valoración del consumo respecto al total de la instalación: Tabla 3. Valoración cualitativa del consumo de energía en el sector cerámico estructural. PROCESO ENERGÍA NIVEL DE CONSUMO EQUIPAMIENTO Molienda Eléctrica Moderado Trituradora de Arcilla Amasado Eléctrica Moderado Amasadora Moldeo Eléctrica Moderado Extractora Secado Térmica Moderado Quemadores Cocción Térmica Muy significativo Hornos de Cocción Los datos de la tabla 3 corresponden a una empresa donde el transporte del material por la planta y su posterior preparación para distribución está mecanizado, y por lo tanto existe un consumo de electricidad por parte de la maquinaria involucrada. Un factor muy importante en el sector y que influye en el consumo de energía térmica es el combustible utilizado en los procesos de combustión ya que cada combustible tiene sus características, y por lo tanto, tendrán diferente comportamiento energético durante la combustión. 3.1 PRINCIPALES COMBUSTIBLES UTILIZADOS EN EL SECTOR El uso de un combustible u otro en la industria de fabricación de productos cerámicos estructurales dependerá de diferentes factores: Disponibilidad. Distribución e infraestructura. Precio. Eficiencia ambiental. Eficiencia energética. Por otro lado, la entrada en vigor del Protocolo de Kyoto a nivel mundial provoca AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 12

15 que, los estados que se encuentran bajo su radio de acción, deban reducir las emisiones de contaminantes que contribuyen al efecto invernadero y por lo tanto, el tipo de combustible que se consume, y como es este consumo, se convierten en factores determinantes para la empresa Características Generales de los Combustibles. Para cada uno de ellos se analizan el PCI, proceso en que se utiliza y, se realiza una valoración cualitativa de la eficiencia energética. Tabla 4. Características Generales de los Combustibles. COMBUSTIBLE PCI (kcal/kg) Gas Natural Coque de Petróleo Coque 1 Micronizado Fuel Carbón PROCESOS EN QUE SE UTILIZA Cocción Calderas Auxiliares Secado Cogeneración Cocción Cocción Depende tipo carbón. del de Cocción Cogeneración Cocción Biomasa Cocción Secado 1. Tamaño medio de grano de unas 20 micras. 2. Depende del grado de humedad. EFICIENCIA ENERGÉTICA En general, ofrece un buen rendimiento durante la combustión En general Ofrece un buen rendimiento durante la combustión. El tamaño de partícula junto con la circulación del aire en el horno provoca que el reparto de calor sea más equivalente provocando un buen rendimiento. Su baja temperatura de ignición provoca que deba calentarse previamente. Su comportamiento en combustión es bueno. Su bajo PCI junto con una generación de cenizas elevada hacen que su eficiencia sea baja. Su bajo PCI hace que su eficiencia energética sea baja. RESULTADOS ECONÓMICOS Su precio varía en función del precio del petróleo. Precio menor que el resto de los combustibles. Puede variar en función del contenido en azufre, y el HGI. El precio del micronizado se sitúa por encima del coque de petróleo y por debajo del resto de combustibles. Costo Elevado. Su precio fluctúa en función del precio del petróleo. Su precio se sitúa entre el coque de petróleo y el gas. Su costo es elevado y variable debido principalmente a su disponibilidad. AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 13

16 3.1.2 Comparación de Combustibles. Una vez analizadas las principales características de los combustibles más utilizados del sector, se recogen las principales ventajas e inconvenientes de cada uno. Tabla 5. Ventajas e inconvenientes de la utilización de los distintos combustibles en el sector de la cerámica. COMBUSTIBLE VENTAJAS INCONVENIENTES Gas Natural Coque de Petróleo Coque Micronizado Fuel Carbón Biomasa Emisiones al aire menores que el resto de combustibles. PCI elevado. Transporte cómodo y limpio. Precio bajo. Se puede mezclar con las arcillas. Disponibilidad. Precio bajo El transporte y almacenamiento no genera la emisión de partículas. PCI más elevado que el coque convencional. Disponibilidad. PCI elevado. Almacenamiento y transporte sin generación de emisiones. Precio medio. Disponibilidad. No computa a nivel de emisiones de CO 2 (ventaja respecto al protocolo de Kyoto). Su utilización es primada en muchos países. Precio elevado. La infraestructura necesaria no llega a todas las instalaciones. Se puede producir la emisión de partículas en el transporte y almacenamiento. Emisiones al aire moderadas. Elevado contenido de azufre (aunque las emisiones son catalizadas durante el proceso). Emisiones al aire moderadas. Elevado contenido en azufre (aunque las emisiones son catalizadas durante el proceso). Emisiones al aire significativas en la combustión. Precio elevado. Complejidad de manipulación en la precombustión. Peligrosidad en el almacenamiento en instalaciones antiguas. Emisiones al aire elevadas. El almacenamiento y transporte puede generar una emisión de partículas elevada. Precio elevado. Disponibilidad intermitente. Generalmente no se utiliza en el proceso de cocción. AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 14

17 4. MEDIDAS DE AHORRO DE ENERGÍA Los procesos productivos utilizados en la actualidad para la fabricación de piezas cerámicas comprenden una serie de operaciones generales, independientemente del producto obtenido y del proceso de fabricación empleado. El consumo energético de estas operaciones es muy variable siendo notablemente superior en el secado y la cocción. Aunque en las operaciones de preparación de las materias primas y moldeo el consumo energético directo es muy reducido, su incidencia sobre el consumo específico de energía en el secado y la cocción puede ser importante. El creciente costo de la energía obliga a reconsiderar la idoneidad de los procesos y equipos utilizados en la industria cerámica. Con un menor consumo de energía siempre hay un menor impacto ambiental. Este impacto dependerá del tipo de energía que se consuma y de la que se ahorre y se diversifique. A continuación se presentaran algunas medidas de ahorro que permita la disminución en los consumos. 4.1 MEDIDAS DE AHORRO ENERGÉTICO EN EL MOLDEO Las técnicas de ahorro energético en el moldeo tienden a disminuir el contenido en agua en las piezas producidas manteniendo la plasticidad requerida por el equipo. Como mejoras de mayor interés pueden citarse: Aditivos. Se puede mejorar la plasticidad de las arcillas naturales y por tanto moldear piezas con un menor contenido en agua si se utilizan determinados aditivos. Regulación automática. El control de la adición del agua de amasado a la pasta, evita un contenido excesivo de agua en las piezas moldeadas, que luego repercutiría en un aumento del consumo energético del secado. Extrusión al vapor. La extrusión al vapor permite lograr la plasticidad requerida por el equipo con un menor contenido en agua. Prensado en seco. El prensado en seco es el sistema de moldeo que produce piezas con un menor contenido en agua. Cuanto menor es el contenido en agua de las piezas moldeadas, menor es el calor teórico de secado. AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 15

18 4.2 REUTILIZACIÓN DE PRODUCTOS ANTES DE LA COCCIÓN Durante el proceso de extrusión o moldeo, el material es obligado a pasar por una boquilla que es la que da forma a la pieza y posteriormente es cortada para conseguir las dimensiones adecuadas en función del producto que se quiere obtener. Durante este proceso se generan una serie de sobrantes debido al propio corte realizado, que pueden ser reintroducidos en la amasadora sin que se produzca ningún tipo de pérdida de calidad de la materia prima. La cantidad de piezas defectuosas generadas dependerá del tipo de instalación pero puede llegar a ser del orden del 1% de la producción de la planta. Mediante este sistema se produce un doble ahorro debido a que se reaprovecha este sobrante como materia prima, y además se deja de gestionar como residuo, un producto que puede ser reaprovechado. 4.3 AMASADO CON VAPOR DE ARCILLAS MUY PLÁSTICAS El amasado con vapor de baja presión (inferior a 4 kg/cm 2 man.) en lugar de con agua, para lograr la plasticidad adecuada de la arcilla, permite reducir el contenido en agua en un 2-3%, con el consiguiente ahorro energético en el secadero; además, se reduce el consumo eléctrico en la extrusora. 4.4 CONFORMADO EN SECO (LADRILLO PRENSADO Ó EXTRUSIÓN DURA) Si se prensa el material con la humedad propia de la arcilla, se consigue reducir casi al 100% el consumo energético del secadero; se podría secar en el prehorno con calor residual. Sin embargo, la compresión hace aumentar el consumo eléctrico, aunque el balance global de energía primaria es favorable para esta medida. 4.5 MEDIDAS DE AHORRO ENERGÉTICO EN EL SECADO Algunas mejoras en el sistema de secado son: Utilización de Aditivos. El empleo de aditivos tiene por objeto aumentar al máximo la permeabilidad de las piezas para facilitar la migración del agua hacia la superficie. De esta manera se evita la formación de grietas y se disminuye la duración del secado. El ahorro energético conseguido con estas mejoras se puede cifrar en un rango de un 5-10% del consumo del secadero. AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 16

19 4.5.2 Recuperación del Calor Sensible de los Humos de Hornos Los gases de combustión de un horno contienen una cierta energía, pues su nivel de temperatura es del orden de ºC. Es lógico ahorrar costes recuperando parte de esta energía en otras etapas del proceso donde se pueda utilizar. El objetivo es aumentar la eficacia energética global del proceso. Ahora bien, no todo el calor es recuperable, pues depende, entre otras cosas, de la temperatura de salida de los humos, de su contenido de azufre y de la carga del horno. El aprovechamiento de este calor residual puede ser básicamente: Precalentamiento y presecado del material alimentado al prehorno (si existe). Utilización directa en el secadero, en caso de hornos a gas natural. Precalentamiento del aire de combustión (mediante intercambio indirecto). El sistema está formado por una tubería que conecta las dos instalaciones junto con un sistema de ventilación del aire caliente (recuperador), que es transportado dentro del recinto del secadero, y una vez dentro es redistribuido mediante los ventiladores que existen en su interior. El aire que se utiliza está libre de carga contaminante ya que se recoge de la zona final del horno y las principales emisiones se producen en la zona central que son aspiradas y emitidas al exterior mediante un foco emisor (que deberá contener un filtro para asegurar unas emisiones de contaminantes lo más bajas posibles). (ver figura 2) Figura 2. Recuperador de Calor de humos de horno. Fuente: Plan de Ahorro y Eficiencia energética Andalucía. El ahorro esperado oscila entre el 2 y 6% del consumo global del horno para el aprovechamiento de los gases del horno y del orden del 1-5% del consumo global del horno en la recuperación del calor residual. AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 17

20 4.5.3 Recuperación de Calores Residuales. En los hornos túnel hay calores residuales que tienen suficiente nivel térmico para ser aprovechados en el proceso. Por ejemplo, el calor de refrigeración de la bóveda y de las vagonetas del horno, sale en forma de una corriente de aire a ºC, que se puede aprovechar en el prehorno (si existe) o en la propia caja de mezclas, mezclándolo con el aire de recuperación directa, o aprovecharse como aire de combustión en las boquillas del horno. El ahorro esperado es del orden del 1-5% del consumo global del horno Utilización de Aislamientos. La utilización de aislamientos en el secadero y en los conductos de gases calientes extraídos del horno mejora notablemente el rendimiento energético con una inversión reducida Utilización de Sistemas de Control. Las características especiales del secado de piezas cerámicas y la necesidad de mantener rigurosamente unas condiciones determinadas de humedad y temperatura configuran el secado como una operación donde tienen un amplio campo de aplicación los sistemas de regulación automática. El empleo conduce a una reducción del consumo energético del secado debido a que permite un mayor ajuste a las condiciones de secado ideal reduciéndose la duración del secado y aumentando la calidad de las piezas (disminuye el índice de roturas) Utilización de Secaderos Continuos. Los secaderos continuos presentan una serie de ventajas sobre los otros tipos de secaderos. Como más importantes podemos destacar: Disminución de la mano de obra. Aumento de la velocidad de secado. Disminución del consumo energético. Facilidad de control automático de la humedad y la temperatura. Integración óptima con el horno (si el horno es tipo túnel) Empleo de la Bomba de Calor. Mediante la bomba de calor se toma calor de un foco frío (aire templado y húmedo a la salida del secadero) y se cede a un foco caliente (aire que va a utilizarse en el secado). En este caso es aconsejable la utilización de un circuito cerrado para el aire. La humedad que se quita a las piezas en el secadero se elimina en el evaporador del AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 18

21 circuito de la bomba de calor (Fig. 3). El rendimiento real es del 30 al 50%. Figura 3. Ciclo de la bomba de calor aplicado a un secadero cerámico Mejoras en Distribución de Aire en Secaderos En los secaderos túnel continuos o semicontinuos, la distribución de aire en el interior se realiza a trasvés de inyección de aire por la parte superior. Para mejorar la distribución de calor se están instalando ventiladores de tipo cónico, que permite regular a lo largo de toda la altura de la estantería la entrada de aire caliente, y por tanto la temperatura de secado. Es decir, permiten homogenizar la temperatura y la humedad en toda la altura del paquete. Se mejora la calidad final del producto y se reduce así el ciclo de secado del equipo con el consiguiente ahorro energético (del orden del 10-20% del consumo inicial del secadero). 4.6 MEDIDAS DE AHORRO ENERGÉTICO EN LA COCCIÓN La cocción es la operación de mayor importancia en la fabricación de productos cerámicos desde los puntos de vista energético y económico. Se puede lograr un ahorro energético considerable eligiendo el sistema de cocción y el horno adecuados, modificando las materias primas, mejorando la transmisión de calor en el interior del horno y reduciendo es pérdidas de calor. A continuación se detallan una serie de medidas encaminadas a la reducción del consumo energético en la cocción Utilización Racional de la Atmósfera del Horno La atmósfera del horno influye en gran número de transformaciones físicas y reacciones químicas que tienen lugar durante la cocción de las piezas cerámicas, AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 19

22 controla la velocidad de numerosos procesos y la fusibilidad de los sistemas cerámicos. El componente de la atmósfera que presenta mayor interés, desde el punto de vista energético, es el vapor de agua, ya que este produce en las fases vítreas dos efectos en el vidrio, a bajas temperaturas que la disminución de la viscosidad y de la tensión superficial lo cual produce un vidrio más fluidos a menores temperaturas, aumentándose así la velocidad de sinterización en las pastas cerámicas. La adición de vapor de agua también provoca un aumento de los coeficientes de transmisión de calor por convección y radiación. Esta característica tiende a homogenizar la temperatura en el interior del horno Encañado Óptimo. Se denomina encañado la disposición de las piezas en el interior del horno. Las características fundamentales que debe tener un encañado para facilitar la transmisión de calor son: Fácil acceso de los gases a cualquier punto de la carga. Dificultar la circulación de los gases en la parte alta de la carga (hornos continuos). La permeabilidad de los apilamientos de piezas facilita el acceso de los gases y por tanto del calor a cualquier punto de la carga homogenizándose la temperatura con gran rapidez. EI factor determinante de la permeabilidad de un encañado es la superficie en contacto con los gases del horno Recirculación de Gases. La recirculación de gases disminuye la duración del ciclo de cocción ya que facilita notablemente la transmisión de calor en el interior del horno. Esta mejora permite la producción de piezas de mayor calidad (disminuye el porcentaje de piezas rotas y defectuosas) con un consumo energético menor (disminuye la duración del ciclo de cocción). Las recirculaciones deben calcularse con mucha precisión evitando la aparición de sobrepresiones y de presiones que aumentan las fugas de gases calientes o las entradas de aire frío respectivamente Reducción de Pérdidas durante Funcionamiento Intermitente. Durante el tiempo de parada, el calor almacenado en las paredes y en la solera del horno se disipa gradualmente constituyendo una pérdida ya que debe AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 20

23 suministrarse de nuevo en el siguiente período de marcha. Para disminuir las pérdidas por funcionamiento intermitente se recomienda: Una elevada difusibilidad del material. Una gran duración del ciclo. Pequeño espesor de pared Instalación de Quemadores de Alta Velocidad en el Horno La colocación de quemadores de alta velocidad en las paredes laterales en la zona de precalentamiento de un horno túnel, permite una mayor homogeneidad de temperaturas entre la parte alta y la parte baja de los paquetes de ladrillos, de esta manera la cocción del material es más rápida y efectiva. Mediante la instalación de este tipo de quemadores, se reduce tanto la duración del ciclo de cocción (con el consiguiente aumento de productividad entre un 20 y un 30 %) como el consumo específico del horno (en aproximadamente un 5%). 4.7 SUSTITUCIÓN DE LÍNEAS DE HORNOS HOFFMANN Y SECADEROS DE CÁMARAS POR HORNOS Y SECADEROS TÚNEL CONTINUOS Se trata de una medida de modernización tecnológica de los equipos principales (horno Hoffmann y secadero de cámaras) de inferior tecnología y de operación discontinua, por un horno túnel y un secadero continuo o semicontinuo: por un lado permite aumentar la cantidad y la calidad del ladrillo cocido y reducir el coste de mano de obra; por otro lado, el consumo específico de combustible disminuiría apreciablemente. Debido a la operación de forma continua, la recuperación directa de un horno túnel equivale a más del 30% del calor necesario para cocer 1 tonelada de ladrillo, mientras que para los hornos Hoffmann esta proporción es inferior al 20%. Es el principal motivo por el que la eficacia energética de un horno túnel es bastante más elevada que la de un horno Hoffmann. El rendimiento térmico de un horno túnel es superior al 70-75%, referido al calor de combustión y al PCI del combustible, bastante mayor que el valor del horno Hoffmann, que oscila entre el 50 y el 55%. Algo parecido ocurriría con el secadero: el rendimiento de un secadero de cámaras es del 45-55%, mientras que el de un secadero túnel es del 70% o superior. Además se debe tener en cuenta el beneficio por mejor calidad del producto y mayor capacidad de producción. También es importante la reducción en el costo de mano de obra. AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 21

24 4.8 INSTALACIÓN DE COGENERACIÓN El consumo eléctrico en las industrias del sector cerámico es considerable debido a la maquinaria involucrada en los distintos procesos. Una forma importante de mejorar este consumo es la instalación de cogeneración en la planta para la generación de electricidad, de manera que parte de ésta es vertida a la red y parte es consumida por la propia empresa. Además, el calor residual producido puede ser aprovechado en el mismo proceso. Existen distintos tipos de cogeneración que ofrecen características diferentes. En la siguiente tabla se recogen las principales ventajas y desventajas de cada uno de ellos: Tabla 6. Principales ventajas y desventajas de los distintos tipos de Cogeneración. TIPOS VENTAJAS DESVENTAJAS Turbina de Gas Turbina de Vapor Motor Alternativo Amplia gama de aplicaciones. Muy fiable. Elevada temperatura de la energía térmica. Rango desde 0,5 a 100 MW. Gases con alto contenido en oxígeno. Rendimiento global muy alto Extremadamente segura. Posibilidad de emplear todo tipo de combustibles. Larga vida de servicio. Amplia gama de potencias. Costo elevado. Alto rendimiento eléctrico. Bajo costo. Tiempo de vida largo. Capacidad de adaptación a variaciones de la demanda. Limitación en los Combustibles. Tiempo de vida relativamente corto. No es posible alcanzar altas potencias eléctricas. Puesta en marcha lenta. Alto costo de mantenimiento. Obtención de energía térmica a baja temperatura. El ahorro económico que se obtiene depende de la diferencia que existía entre el precio de la energía eléctrica adquirida directamente de la red y el precio del combustible utilizado en la planta. En el caso de que exista venta de energía eléctrica a la red, dependerá también del margen entre el precio del combustible y el precio de venta. Cuanto mayor sea este diferencial, mayor es el beneficio que se obtiene y por tanto más rápidamente se amortiza la instalación. Las aplicaciones más usuales de la cogeneración suelen producir reducciones del % de la factura energética, con periodos de amortización de las inversiones del orden de 2 y 3 años. AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 22

25 4.9 CAMBIO A GAS NATURAL El gas natural es un combustible limpio, de fácil control y regulación. Su uso, en lugar de combustibles convencionales, implica: Ahorro y diversificación energética, y por lo tanto, mejora de la eficiencia energética del proceso. Ahorro económico, debido además al elevado precio que están alcanzando los combustibles derivados del petróleo en los últimos años. Mejora de los ratios de producción y calidad del producto. Disminución de la dependencia energética del petróleo. Reducción del impacto ambiental. El ahorro que se obtendría con la sustitución de combustibles derivados del petróleo es del orden del 2-10% del consumo de partida. En el caso de la generación de aire caliente para el secadero, es cercano al 10%. Muchas industrias cerámicas han instalado quemadores en vena de aire a gas, que satisfacen la demanda de aire caliente del secadero de forma más limpia y eficaz, y permiten mayor facilidad de regulación del proceso de secado y mayor calidad del producto final. Así, este equipo energético ha permitido mejorar su competitividad y contribuir a su modernización tecnológica. Los quemadores laterales de alta velocidad a gas del horno túnel mejoran el precalentamiento del material y permiten aumentar la producción y la calidad del producto. AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 23

26 5. ASPECTOS AMBIENTALES GENERALES En la siguiente figura se representan las fases del proceso juntamente con sus aspectos ambientales más significativos: Figura 4. Procesos de fabricación de material cerámico estructural y aspectos ambientales asociados Fuente: Prevención de la Contaminación en el Sector Cerámico Estructural. AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 24

27 Por último en la siguiente tabla se muestra una recopilación de cada uno de los procesos con sus aspectos ambientales asociados, indicando una valoración de su importancia ambiental. Tabla 7. Aspectos ambientales asociados a la fabricación de cerámica. ETAPA ASPECTOS AMBIENTALES VALORACIÓN Almacenamiento de Materia Prima. Emisiones al aire Molienda - Mezcla Amasado Vía Seca Vía Húmeda Consumo de energía Emisiones al aire Ruido Consumo de energía Consumo de agua Emisiones al aire Ruido Consumo de energía Consumo de agua Emisiones al aire Moderado Moderado Moderado Muy Significativo Moderado Moderado Muy Significativo Moderado Moderado Moderado Moderado Moldeo Energía eléctrica Moderado Secado Artificial Cocción Preparación y almacenamiento de producto Consumo de combustible Emisiones al aire Consumo de combustible Emisiones al aire Generación de residuos inertes Contaminación térmica Generación de residuos inertes Consumo de agua Generación de aguas residuales Muy Significativo Muy Significativo Muy Significativo Muy Significativo Moderado Poco Significativo Moderado Moderado Moderado Se puede observar como los aspectos ambientales más significativos son las emisiones de contaminantes al aire en los procesos de secado y cocción que dependerán, en gran parte, del combustible que utilicemos en ambos procesos y su consumo. Por otro lado, cabe destacar también la generación de ruido en el proceso de molienda que, en algunos casos, puede ser elevado. En cuanto los consumos de energía eléctrica, de manera puntual no son excesivos pero en conjunto vemos que son significativos en 3 de los 6 procesos principales identificados y por lo tanto a nivel global se deberá tener en cuenta. Por último, el consumo de agua no supone un impacto ambiental elevado, y la generación de residuos en el proceso puede ser significativo y por lo tanto, requiere de un análisis para su minimización. AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 25

28 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Técnicas de Conservación Energética en la Industria/Ahorro en Proceso. Tomo II. Editorial Centro de estudios de la energía. ISBN Prevención de la Contaminación en el Sector Cerámico Estructural. Centro de Actividad Regional para la Producción Limpia (CAR/PL). Plan de Acción para el Mediterráneo. España Plan de Ahorro y Eficiencia Energética en Andalucía/Subsector Industria de la Cerámica Estructural. Sociedad para el Desarrollo Energético de Andalucía, S.A. España. Disponible en Internet: 4. Estudio sobre las tendencias del empleo y las necesidades formativas en medio ambiente en los sectores cerámico, agroalimentario, madera y mueble y metal mecánico. Capitulo 6. Instituto Mediterráneo por el Desarrollo Sostenible (Imedes). España. AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA CERÁMICA 26