IDENTIFICACIÓN DE EQUIPOS DE QUEMA Y/O DE INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE PARA LA INDUSTRIA LADRILLERA

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1 IDENTIFICACIÓN DE EQUIPOS DE QUEMA Y/O DE INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE PARA LA INDUSTRIA LADRILLERA CONSULTOR: CAIA INGENIERÍA LTDA. Calle 64A No Torre Bogotá, Colombia Teléfono: Correo electrónico: info@caiaingenieria.com Página Web: Enero de 2013

2 Tabla de Contenido 1 ASPECTOS A CONSIDERAR EN LA SELECCIÓN DE EQUIPOS Consumo de combustible Alimentación de aire Sistema de Alimentación de combustible Distribución del combustible INVENTARIO DE EQUIPOS PARA EL PROCESO DE COMBUSTIÓN Eductor Equipo de combustión limpia Principio de Funcionamiento Quemador de combustibles sólidos Principio de Funcionamiento Dosificador de combustible Principio de funcionamiento Stocker Principio de Funcionamiento Equipo Mixto de Combustión Proyecto en prueba Principio de Funcionamiento Análisis Comparativo de los Equipos Identificados Conclusiones CAIA Ingeniería Ltda. Calle 64A No , Torre Bogotá, Colombia 2

3 IDENTIFICACIÓN DE EQUIPOS DE QUEMA Y/O DE INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE PARA LA INDUSTRIA LADRILLERA El presente informe tiene como finalidad dar a conocer el inventario de los equipos disponibles para optimizar el proceso de combustión en la industria ladrillera, específicamente en las plantas ubicadas en al Municipio de Nemocón, de acuerdo con las características de tamaño y tipo de producto particulares para la zona. 1 ASPECTOS A CONSIDERAR EN LA SELECCIÓN DE EQUIPOS Las principales variables que deben ser conocidas y controladas para el análisis de las soluciones tecnológicas que se presentan en este informe, son: 1.1 Consumo de combustible En cualquier proceso de combustión deben existir tres componentes fundamentales: oxígeno, combustible y material comburente. Sin embargo, para el caso de procesos productivos y especialmente para la fabricación de ladrillos y productos derivados de la arcilla, refractarios y no refractarios, es necesario realizar un análisis estequiométrico que permita identificar la cantidad necesaria de combustible, en este caso, carbón y de oxígeno que se requiere para el procesamiento de una cantidad determinada de producto, haciéndolo lo más eficiente posible. La determinación y análisis de la cantidad realmente requerida de combustible, asociada a una unidad de producción, le permitirá a cualquier empresa ahorrar costos innecesarios asociados al consumo excesivo de combustible y además, resultará en una importante reducción de los niveles de contaminantes atmosféricos asociados al uso y tipo de combustible, tales como material particulado y óxidos de azufre. 1.2 Alimentación de aire Uno de los principales factores que afecta el valor de las emisiones de los contaminantes regulados actualmente por la normatividad vigente, es el porcentaje de oxígeno que se mide en la chimenea, el cual depende directamente de la alimentación de aire en el proceso de combustión. Es este sentido, es importante tener en cuenta que de acuerdo con lo establecido en dicha reglamentación, para la evaluación del cumplimiento de los niveles máximos permisibles aplicables al proceso de combustión para la fabricación de productos de cerámica refractaria, no refractaria y de arcilla, se debe realizar la correspondiente corrección por oxígeno de referencia que busca que los equipos de combustión operen bajo las condiciones establecidas por el fabricante de los hornos de cocción. CAIA Ingeniería Ltda. Calle 64A No , Torre Bogotá, Colombia 3

4 1.3 Sistema de Alimentación de combustible La alimentación de combustible y especialmente la manera como este se alimenta al sistema o proceso de combustión, es una de las principales variables que incide en el resultado de las emisiones. En este sentido, una alimentación continua de combustible que obedezca a un análisis estequiométrico, asociado a la producción, va a permitir no solamente utilizar el combustible estrictamente necesario, sino que va a permitir reducir de una manera importante el resultado de las emisiones atmosféricas generadas. Por otra parte, es necesario tener en cuenta que el sistema de alimentación de combustible puede optimizar aun más el consumo de carbón, al estar acompañado de un sistema que le permita identificar la necesidad de aumentar o disminuir su rata de alimentación de acuerdo con las necesidades de producción de un momento determinado. 1.4 Distribución del combustible En este sentido, es necesario precisar que cuando el carbón ingresa al horno sin ningún tipo de control tanto en el tamaño del mismo como en su distribución en la cámara, se está dificultando una combustión limpia, por cuanto se pueden generar espacios con mayor cantidad de combustible y algunos con ausencia de este. Lo anterior, puede ocasionar no sólo que se consuma más del combustible realmente necesario, sino que se ponga en riesgo la calidad del producto que se está cociendo. Este es un aspecto que no sólo depende de la manera como se alimente el combustible, sino de los dispositivos con que cuente el horno de cocción para garantizar dicha distribución. CAIA Ingeniería Ltda. Calle 64A No , Torre Bogotá, Colombia 4

5 2 INVENTARIO DE EQUIPOS PARA EL PROCESO DE COMBUSTIÓN A continuación se presenta un inventario de los equipos encontrados en el mercado para mejorar el proceso de combustión en hornos ladrilleros. Es importante mencionar que los datos que se presentan a continuación obedecen a la información suministrada por los fabricantes de los equipos 2.1 Eductor Equipo de combustión limpia El Eductor es un equipo constituido por componentes fundidos, resistentes al desgaste que se puede generar por el contacto constante y directo con el combustible (en este caso carbón), el cual consta de los siguientes elementos (Ver Error! No se encuentra el origen de a referencia.): Tolva de alimentación: En la cual se almacenan de manera temporal los granos de carbón que han sido previamente triturados y llevados a un tamaño estandarizado para facilitar su combustión. Tornillo sin fin: Es un dispositivo que transporta el carbón que es alimentado a la tolva. En este caso, el tornillo se encuentra ubicado en la parte inferior de la tolva de alimentación, de donde recibe el carbón, previamente triturado y los lleva a la cámara de educción. Ventilador centrífugo de inyección de aire: Este ventilador tiene la función de tomar aire ambiente e imprimirle una mayor presión de manera tal que el flujo que se genera, arrastre el combustible. Es accionado por un motor que cuenta con una capacidad de 3,7 Kw (5 hp), los cuales permiten alcanzar hasta 3600 rpm en el ventilador. En este caso el fabricante de los equipos manifestó que los datos de la relación aire/combustible y el caudal del aire, hace parte del Know How y que dicha información será transmitida en caso de realizar la compra del equipo, como parte del proceso de capacitación en el manejo del equipo. Cámara de educción: Es el encargado de realizar la mezcla de aire/combustible que va a ingresar al proceso de cocción de productos en el horno. Esta cámara permite lograr una mezcla uniforme de las partículas de carbón y del aire que está siendo alimentado por el ventilador centrífugo. La alimentación que controla el Eductor, está conectada a través de un controlador lógico programable PLC que permite modificar la relación aire/combustible a la entrada para optimizar el proceso de combustión. Boquilla de inyección: Dispositivo encargado del transporte del aire y combustible en la proporción suministrada por la cámara de educción, al horno de cocción de materiales. El equipo incluye adicionalmente sensores y controladores de temperatura, variación precisa de velocidad, alarma y sistema de contingencia contra atascamientos en la alimentación de combustible, sistema de monitoreo y parametrización de curvas térmicas CAIA Ingeniería Ltda. Calle 64A No , Torre Bogotá, Colombia 5

6 operadas por el PLC con pantalla táctil de visualización y control automático de curvas de temperatura. Figura 1. Equipo Eductor Fuente: Metalúrgica de Santander Principio de Funcionamiento El carbón, previamente triturado hasta un tamaño estándar de aproximadamente 3.0mm, es alimentado a la tolva de alimentación al tiempo que el ventilador centrifugo succiona aire del ambiente y le imprime potencia para aumentar la presión. La cámara de educción regula de manera automática la alimentación y la relación aire/combustible controlada por el PLC, y por medio de un variador de frecuencia que actúa de acuerdo con las condiciones registradas de manera permanente en el horno de cocción de materiales. Tanto el aire como el combustible son alimentados al sistema por medio de una boquilla fabricada en material resistente a contacto con el carbón para evitar su desgaste. Por ello, el funcionamiento del Eductor depende de un balance estequiométrico que permita controlar de manera adecuada el mecanismo de combustión, la mezcla uniforme de aire/combustible y el tamaño de la partícula de carbón, entre otros aspectos. 2.2 Quemador de combustibles sólidos CAIA Ingeniería Ltda. Calle 64A No , Torre Bogotá, Colombia 6

7 El quemador de combustible es un dispositivo que busca la distribución equitativa de carbón pulverizado en el proceso de combustión y típicamente está compuesto por las siguientes partes: Tolva: Tolva cónica de depósito conectada a un alimentador alveolar que dosifica la entrada de combustible, de accionamiento por medio de moto-reductor con variador de velocidad. Ventilador: Es el encargado de controlar la distribución del combustible y del aire que ingresa al sistema, es fabricado en material anti-desgaste igual que la carcasa del equipo. Puede tener 8 ó 10 salidas dependiendo de las necesidades y tamaño del horno en el cual se realice su instalación. El accionamiento es por medio de motor eléctrico con variador de velocidad. La distribución es uniforme en todos los puntos de quema. El volumen de la mezcla aire carbón se puede regular para cada hornilla. Este ventilador es accionado mediante un motor de 7.5 Kw (10,6 hp), los cuales tienen la capacidad de generar hasta RPM en el rotor de la turbina. Alimentador de combustible sólido: Puede tener hasta 10 salidas, cada salida atiende un punto de quema (hornilla). La conexión desde el alimentador a la hornilla se hace con una manguera de 2 ó 3 pulgadas dependiendo de la distancia a recorrer de la mezcla aire carbón. La descarga en la hornilla se hace con una boquilla en acero. El tamaño del carbón antes de que este ingrese a la tolva debe ser aproximadamente de 5.0 mm. Cuadro eléctrico de comando: Funciona con sistema electrónico de regulación de las temperaturas en función del tiempo. Cuenta con cinco programas de quema para atender automáticamente los requerimientos de acuerdo a las necesidades y tipo de material a cocer. Cuenta con dos sondas pirométricas, que se colocan en las puertas del horno o en la parte superior, suministran los datos que alimentan el sistema. La información transmitida al quemador permite regular el caudal de acuerdo con las temperaturas previamente establecidas. Dentro de las variables que el quipo permite controlar, se encuentran las siguientes: Cantidad de carbón Cantidad de aire Presión de salida de alimentación de la mezcla aire-carbón Principio de Funcionamiento La tolva de alimentación es cargada con carbón previamente molido. El equipo cuenta con un alimentador alveolar que regula la alimentación al rotor del quemador y que gira a alta velocidad (bajo el mismo principio de un ventilador) distribuyendo el carbón por las 10 salidas con que cuenta el equipo (Ver Fuente: Ipiac Colombia Figura 1). Cada una de estas salidas tiene una válvula manual e independiente de regulación de salida del combustible. CAIA Ingeniería Ltda. Calle 64A No , Torre Bogotá, Colombia 7

8 Este equipo o quemador puede ser montado y desmontado de manera independiente de los hornos, dependiendo de las necesidades de producción y no transmite vibraciones que afecten la vida o la estabilidad del horno. Cada uno de los 10 alimentadores volumétricos está equipado con tubería flexible de conexión a los puntos de quema del horno y boquilla de alimentación. Fuente: Ipiac Colombia Figura 1. Quemador de combustible sólido 2.3 Dosificador de combustible Este equipo consiste en el suministro controlado de aire y combustible para el proceso de combustión y está compuesto por: Tolva de suministro: Este dispositivo es cargado con el carbón de diversos tamaños. Una vez se inicia el funcionamiento del equipo la tolva entrega el carbón a un compartimento que contiene un molino de martillos (Ver Fuente: CAIA Ingeniería Ltda Figura 2a) para homogenizar el tamaño del mismo. Molino de martillos: Este martillo es el encargado de llevar el combustible (carbón) a un tamaño homogéneo de partícula antes de ser arrastrado por una corriente de aire controlada, directamente hacia el horno de cocción de materiales. (Ver Fuente: CAIA Ingeniería Ltda Figura 2b). Para este caso el fabricante no suministró información relacionada con el tamaño del carbón luego de ser molido. Ventilador: El ventilador es el encargado de tomar aire ambiente e imprimirle presión para arrastrar el carbón directamente hacia el horno y al proceso de combustión. Este CAIA Ingeniería Ltda. Calle 64A No , Torre Bogotá, Colombia 8

9 dispositivo, así como las aspas de distribución de combustible, se encuentran conectadas a la medición de variables de operación como la temperatura en la cámara de combustión, con el fin de modificar su velocidad y responder de manera automática a los requerimientos de aire y combustible del proceso. Para este caso el fabricante no suministró información relacionada con la potencia del motor o el caudal de aire Principio de funcionamiento La tolva de alimentación es cargada con carbón de diferentes tamaños, las aspas internas del equipo distribuyen el ingreso del carbón al compartimento de molienda en donde un molino de martillos lleva las partículas de combustible a un tamaño homogéneo que va a mejorar la eficiencia de la combustión y la distribución del combustible en la cámara del horno. El equipo cuenta adicionalmente con un ventilador centrífugo que succiona aire ambiente y le aumenta la velocidad y presión. El flujo de aire que se genera arrastra el combustible previamente triturado. Tanto la cantidad de combustible como el flujo de aire son controlados de manera automática por el equipo, el cual cuenta con variación de velocidad para responder a las condiciones de operación del horno y al material cargado para cocción, permitiendo modificar los condiciones de operación y la rata de alimentación de aire/combustible durante el proceso. a. b. c. d.. Fuente: CAIA Ingeniería Ltda CAIA Ingeniería Ltda. Calle 64A No , Torre Bogotá, Colombia 9

10 Figura 2. Dosificador de combustible 2.4 Stocker El Stocker es un equipo de alimentación independiente de aire y combustible, que consta de: Tolva: Alimenta el sistema y es cargada de manera temporal con el combustible (carbón). A diferencia del equipo dosificador visto previamente, en esta tolva el carbón no es triturado ni homogeneizado (Ver Figuras 4a y 4b). Tornillo Sin fin: Permite el transporte del carbón desde la tolva de alimentación hasta la cámara de combustión, en los diferentes tamaños en que este es cargado en la tolva. Este tornillo es accionado por medio de un motor de baja capacidad que se encuentra conectado a un sistema de poleas (Ver Fuente: CAIA Ingeniería Ltda Figura 3b). Ventilador: Este dispositivo succiona aire ambiente, le aumenta velocidad y presión y lo conduce a través de un ducto independiente hacia la cámara de combustión (Ver Fuente: CAIA Ingeniería Ltda Figura 3a y Fuente: CAIA Ingeniería Ltda Figura 3d). En este caso los datos de potencia y relación aire/combustible no fueron suministrados por el fabricante. a. b. c. d. CAIA Ingeniería Ltda. Calle 64A No , Torre Bogotá, Colombia 10

11 Figura 3. Stocker Fuente: CAIA Ingeniería Ltda Principio de Funcionamiento El Stocker en un equipo de alimentación de combustible que no incluye preparación (molienda previa) a un tamaño homogéneo. Dicho combustible, es transportado en los diferentes tamaños en que se dispone, por medio de un tornillo sin fin que lo lleva directamente a la cámara de combustión. De manera paralela un ventilador centrífugo succiona aire del ambiente, le imprime y aumenta velocidad, para conducir dicho aire a través de un ducto independiente hacia la cámara de combustión. Lo anterior genera un efecto de tiro natural del aire al ingreso en la cámara por cuanto no se garantiza una mezcla homogénea de aire/combustible. Este equipo no cuenta con conexión y medición de variables de operación del horno de cocción, por lo que no realiza el ajuste de variación de frecuencia de alimentación de aire/ combustible de manera automática. 2.5 Equipo Mixto de Combustión Proyecto en prueba Este es un equipo de alimentación independiente de aire y combustible y que, de acuerdo con la información suministrada por los fabricantes, resulta de mezclar características técnicas del Stocker y el Eductor, presentados anteriormente. Este equipo cuenta con los siguientes dispositivos: Tolva: Es cargada de manera temporal con el combustible (carbón) sin triturar (Ver Figura 4). Tornillo Sin fin: Este dispositivo permite el transporte del carbón desde la tolva de alimentación hasta la cámara de combustión, en los diferentes tamaños en que este es cargado en la tolva. Este tornillo es accionado por medio de un motoreductor que se encuentra conectado a un sistema de cadena y piñón (Ver Figura 4). CAIA Ingeniería Ltda. Calle 64A No , Torre Bogotá, Colombia 11

12 Variador de Frecuencia: Este dispositivo controla de manera independiente la cantidad de aire y la cantidad de combustible que se requiere en el horno para la correcta cocción de los materiales. La medición de variables se realiza de manera continua, y como respuesta a las condiciones instantáneas se varían las velocidades del ventilador y del tornillo sin fin. Ventilador: Este dispositivo succiona aire ambiente, le aumenta velocidad y presión y lo conduce a través de un ducto independiente hacia la cámara de combustión (Ver Figura 4). En este caso los datos de potencia no fueron suministrados por el fabricante. Fuente: CAIA Ingeniería Ltda Figura 4. Equipo Mixto Proyecto en prueba Principio de Funcionamiento La alimentación de combustible sin preparación es análoga a la del Stocker. Dicho combustible, es transportado en los diferentes tamaños en que se dispone, por medio de un tornillo sin fin que lleva directamente el combustible a la cámara de combustión. De manera paralela un ventilador centrífugo succiona aire del ambiente y le imprime velocidad para conducirlo a través de un ducto independiente hacia la cámara de combustión. Lo anterior genera un efecto de tiro natural del aire al ingreso en la cámara por cuanto no se garantiza una mezcla homogénea de aire y combustible. El ingreso del aire se realiza por la parte inferior del combustible, lo que genera un efecto de tiro forzado que ayuda adicionalmente a que se presente una mezcla completa al ingreso. Este equipo cuenta con conexión y medición de variables de operación del horno de cocción, por lo que realiza el ajuste de variación de frecuencia de alimentación de aire y de combustible de manera automática. 2.6 Análisis Comparativo de los Equipos Identificados CAIA Ingeniería Ltda. Calle 64A No , Torre Bogotá, Colombia 12

13 Con el fin de brindar herramientas necesarias para la evaluación y análisis de las variables que deben ser tenidas en cuenta a la hora de seleccionar el o los equipos de combustión más eficientes para los hornos ladrilleros del Municipio de Nemocón, a continuación se presenta una tabla comparativa de diferentes aspectos y variables que deberían ser considerados para su selección, dichos aspectos incluyen factores operacionales, sistemas de monitoreo, ahorro en el consumo de combustible, entre otros. Toda la información incluida en la tabla ha sido suministrada por los fabricantes de los equipos, por lo que no se cuenta con información para comprobar la certeza de la información. Tecnología Requiere trituración de carbón? Variador Frecuencia Control de Temper Alimentación en múltiples quemadores Fácil instalación, movimiento mantenimiento Sistema de monitoreo PLC Permite controlar relación aire /combustible Porcentaje de reducción en el consumo de combustible Eductor Si Si Si No Si Si Si 10-15% Quemador Si Si Si Si Si Si Si 30% Dosificador No Si Si Si Si Si Si 25-30% Stocker No No No No Si No No ND Equipo Mixto No Si Si No Si No Si ND ND: Dato no disponible 2.7 Conclusiones Existen una variedad de equipos con diferentes principios de funcionamiento que buscan optimizar el proceso de combustión en la fabricación productos de cerámica refractaria, no refractaria y de arcilla. En este sentido, es importante mencionar que el mejoramiento en la eficiencia de la combustión resulta en una reducción directa de los niveles de concentración de contaminantes atmosféricos emitidos por el proceso. De acuerdo con lo anterior, la instalación de este tipo de equipos debe estar acompañada de una serie de buenas prácticas operaciones que incluyan como mínimo, la verificación de la calidad del combustible, el tamaño del mismo (en el caso de tratarse de carbón), la capacitación a los trabajadores encargados de la operación de los equipos, el mantenimiento preventivo de los mismos, entre otros aspectos. Los equipos inventariados son de fácil instalación, operación y mantenimiento, tanto por la versatilidad que ofrecen los dispositivos que los componen, como por su principio de funcionamiento. En algunos casos, se facilita su movimiento y traslado interno a diferentes hornos, dependiendo de las necesidades de producción. El óptimo funcionamiento de los equipos mostrados, depende en gran medida del análisis y cálculo estequiométrico de las necesidades reales de aire y combustible que se requieren para una determinada cantidad de producción (Esta relación depende de la cantidad de material cargado, el tipo de producto, el momento del proceso, el tipo de horno, entre otros aspectos). Es importante mencionar que este control debe ser continuo y automático, de manera tal que dependiendo de las condiciones del horno, se modifican las condiciones, tasas de alimentación y la relación aire/combustible. CAIA Ingeniería Ltda. Calle 64A No , Torre Bogotá, Colombia 13

14 Los equipos de combustión que cuentan con una preparación previa del combustible, es decir, aquellos que llevan las partículas de carbón a un tamaño homogéneo y fino, incrementan en una medida importante la eficiencia de la combustión, reduciendo con esto el consumo de combustible y además disminuyendo los niveles de concentración de los contaminantes aplicables, acercándose al cumplimiento normativo. Actualmente, se están desarrollando por parte de los propietarios de los hornos ladrilleros en diferentes zonas del país, importantes esfuerzos para optimizar el consumo de combustible y lograr el cumplimiento normativo, que obedecen a los conocimientos empíricos del funcionamiento de sus hornos que pueden brindar herramientas interesantes para el diseño y mejora de los equipos identificados en el presente documento. Algunos datos clave, como la relación aire/combustible que depende particularmente de cada tipo de horno, del material cocido, de la cantidad de material cargado, no son fácilmente suministrados por parte de los fabricantes de los equipos por cuando ellos consideran que hace parte de su Know How. En este caso dicha información podría ser obtenida a partir del desarrollo de proyectos pilotos y ensayos a diferentes condiciones y en la fabricación de diferentes productos. CAIA Ingeniería Ltda. Calle 64A No , Torre Bogotá, Colombia 14