DISEÑO DE HORNO TIPO RETORTA PARA ELABORAR CARBÓN

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA
“JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”
DISEÑO DE HORNO TIPO RETORTA
PARA ELABORAR CARBÓN VEGETAL
TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PARA OPTAR AL GRADO DE
INGENIERO MECÁNICO
POR:
RONALD ELÍAS FLORES FLORES
HUGO ERNESTO QUINTEROS SEGOVIA
OCTUBRE 2008
ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A.
RECTOR
JOSÉ MARÍA TOJEIRA, S.J.
SECRETARIO GENERAL
RENÉ ALBERTO ZELAYA
DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
EMILIO JAVIER MORALES QUINTANILLA
COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
MARIO WILFREDO CHÁVEZ MOLINA
DIRECTOR DEL TRABAJO
ISMAEL ANTONIO SANCHÉZ FIGUEROA
LECTOR
HERBERT EDUARDO SCHNEIDER CORDOVA
AGRADECIMIENTOS
Queremos dar las gracias primeramente a nuestro Señor Jesucristo que nos dio la bendición
de llegar a la meta de esta gran carrera. A nuestros padres, quienes creyeron en nosotros,
dándonos
su mejor esfuerzo para apoyarnos, forjarnos y proveernos de lo que
necesitábamos para prepararnos como profesionales. A nuestros queridos y buenos
compañeros, que disfrutamos las victorias y derrotas pero que nunca nos dimos por
vencidos. Al mejor maestro que estimamos de corazón, a usted Ing. Ismael Sánchez que
nos guió con sus conocimientos en todo este tiempo para hacer realidad este trabajo. Al Ing.
Alex Vejar, quien estuvo a nuestro lado también en esta faena, que compartimos buenas
conversaciones en su taller y que nos enseñó que también somos capaces de hacer grandes
cosas cuando nos las proponemos. Y a nuestros maestros de la U, quienes compartieron sus
conocimientos para sembrarlos en nosotros y ver en un futuro el fruto de su entrega. A
todos muchas gracias, pero especial al Creador y dador de la vida.
Hugo y Ronald
DEDICATORIA
Yo dedico este documento y mi aporte en él, a mi familia en especial, mi papá y mamá quienes me
apoyaron en todo sentido a lo largo de mi carrera, me dieron ánimo esperanza y apoyo económico
siempre y cuando más lo necesité, en los tiempos difíciles y en los tropiezos nunca perdieron la fe
en mí.
También agradezco a mis hermanos y familiares que también brindaron apoyo a mi causa, apoyo
moral nunca me faltó por eso agradezco de ellos ese valioso regalo, sin olvidar a las personas que
también me dieron la mano ciclo a ciclo, compañeros, amigos y docentes que me brindaron
conocimiento, confianza a lo largo de mi carrera.
Hugo Quinteros
DEDICATORIA
Este logro alcanzado lo dedico primeramente a mi Rey, Padre y Señor Jesús, quien ha estado
conmigo desde que comenzamos juntos esta carrera, quien con su mano derecha me dio la
fortaleza que necesité para ponerme en pie y tomar nuevas fuerzas en él, quien me dio la sabiduría
e inteligencia para actuar y pensar con responsabilidad, a ti mi Salvador entrego nuestro trabajo,
que la gloria y la honra son dadas a ti por haberme llevado por tus caminos para convertirme en un
profesional a tu servicio, pero sobre todo en tu hijo que te honra con este fruto de nuestro trabajo.
A mis padres Carlos Antonio Flores y Reina Morena de Flores, quienes tomaron la determinación
de emprender este camino a mi lado, dándome su apoyo, su comprensión, sus consejos pero
sobre todo su amor que ha sido y será el motor para impulsarme hacia delante, quienes me
esperaban cada noche para cenar juntos y que yo, solo llegaba par verles y marcharme
nuevamente a continuar la faena del estudio. A ustedes también les honro con el triunfo que hemos
alcanzado.
A mi hermano Carlos Alberto Flores, quien con su apoyo, su comprensión y sus palabras me dieron
la fuerza para animarme y no darme por vencido.
A Wendy Miranda, quien ha estado a mi lado en todo el tiempo de la carrera para escucharme,
para aconsejarme y demostrarme que la alegría del corazón es el arma que como estudiante y
persona me permitió ver las dificultades del estudio superables, quien también me comprendió el
tiempo que necesita para dedicarle a la universidad.
A mis hermanos en Cristo, a quienes Dios lo puso en mi vida para mostrarme y enseñarme que
nada puede alcanzarse si la ayuda de mi Señor.
A mis buenos compañeros, con quienes compartimos buenos y malos momentos juntos, pero que
a la vez nunca nos dimos por vencidos sin importar el esfuerzo que se necesitaba hacer, para
entregar los trabajos y exámenes a tiempo.
Y a mis maestros quienes me enseñaron a desarrollar la habilidad de comprender los problemas
antes de plantear una solución, quienes me encaminaron académicamente para aprender los
conocimientos que hoy tengo para ponerlos al servicio de la sociedad.
Ronald Flores
RESUMEN EJECUTIVO
El trabajo que se presenta a continuación tiene como objetivo principal el diseño de un horno
eficiente, práctico y ecológico para fabricar carbón vegetal. En nuestro país el consumo mayoritario
de carbón se da con fines domésticos; la producción de este es artesanal, generando un producto
de baja calidad para su exportación. Es por ello que se investigó los diferentes métodos de
fabricación más comunes y sus tipos de hornos respectivos.
Después de estudiar las alternativas, se comparó la eficiencia y calidad de producto de cada una
de ellas y se pudo observar que, el horno tipo retorta es el más idóneo para fabricar carbón
vegetal. Esto gracias a su alta eficiencia de proceso, producto de gran calidad y a su enorme
aporte ecológico.
Para lograr un diseño apropiado del horno se investigó además el proceso por el cual la madera,
como materia prima, debe pasar para convertirse en carbón vegetal. Parte importante de este
proceso es la temperatura de carbonización, la cual será de mucha importancia dentro del diseño
del horno tipo retorta.
Se definieron dimensiones y mecanismos para el horno tipo retorta, a partir de criterios de diseño
aplicados a nuestra realidad, utilizando cálculos matemáticos, características de hornos existentes
y manteniendo siempre un carácter ecológico con respecto al manejo de los residuos, sin
descuidar la calidad del producto.
Un aspecto importante del diseño del horno tipo retorta es contemplar las zonas físicas del mismo,
que garanticen la buena calidad del producto, el carbón vegetal, y se logre la seguridad del
operador, del horno y de la materia prima, la leña a carbonizar.
Debido al proceso de carbonización, el horno aprovecha parte de los productos obtenidos de este
proceso como los gases de carbonización. Estos para continuar el proceso de elaboración de
carbón vegetal y reducir así el combustible utilizado para calentar el horno.
i
Dentro del diseño presentado se describe a detalle el material requerido para su fabricación, una
descripción de las especificaciones y planos de conjunto del horno. Contemplando gráficamente el
diseño del horno tipo retorta.
Este diseño también contempla el mantenimiento preventivo, el cual ayudará a darle al horno una
mejor calidad de vida útil; el monitoreo de operación del horno, que garantice el funcionamiento a
largo plazo y el reemplazo a futuro de piezas corrosibles, todo esto buscando crear un modelo
completo.
El resultado es un modelo de capacidad media, que cumple con las características básicas del
proceso de retorta y de fácil operación. Este modelo además está diseñado con materiales que se
encuentran disponibles en el mercado nacional y no exige procesos de fabricación complejos,
haciendo a este tipo de horno factible para nuestra industria metal-mecánica.
ii
ÍNDICE
RESUMEN EJECUTIVO ...................................................................................................................... i
ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................................... vii
ÍNDICE DE TABLAS.......................................................................................................................... ix
SIMBOLOGÍA .................................................................................................................................... xi
PRÓLOGO ....................................................................................................................................... xiii
CAPÍTULO 1. JUSTIFICACIÓN DEL HORNO TIPO RETORTA...................................................... 1
1.
JUSTIFICACIÓN DEL DISEÑO DEL HORNO TIPO RETORTA........................................... 1
2.
CARBÓN VEGETAL. ............................................................................................................. 1
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO PARA LA FABRICACIÓN DE CARBÓN CON HORNO TIPO
RETORTA ........................................................................................................................................... 3
1.
MATERIA PRIMA. .................................................................................................................. 3
2.
CONDICIONES NECESARIAS PARA LA MATERIA PRIMA................................................ 3
3.
PROCESO DE RETORTA DE LEÑA..................................................................................... 4
4.
PIRÓLISIS.............................................................................................................................. 5
4.1
Descripción del proceso. ............................................................................................... 5
4.2
Condiciones necesarias para llevarse acabo el proceso de pirólisis............................ 5
4.3
Productos finales. .......................................................................................................... 5
4.3.1
Disposición de los productos finales......................................................................... 6
5.
DISEÑO DE HORNO TIPO RETORTA. ............................................................................... 7
6.
TECNOLOGÍAS MÁS COMUNES. ........................................................................................ 9
6.1
Descripción.................................................................................................................... 9
6.2
Métodos para la elaboración de carbón vegetal. .......................................................... 9
6.2.1
Método de Fosa. ....................................................................................................... 9
6.2.2
Método de Parvas. .................................................................................................. 10
6.2.3
Método de Horno de ladrillo. ................................................................................... 11
6.2.4
Método de Horno Metálico Cilíndrico. ..................................................................... 11
7.
RENDIMIENTO. ................................................................................................................... 14
8.
COMPARACIÓN GRÁFICA DEL RENDIMIENTO............................................................... 15
9.
JUSTIFICACIÓN DEL USO DEL HORNO METÁLICO. ...................................................... 16
CAPÍTULO 3. DISEÑO DEL HORNO TIPO RETORTA .................................................................. 17
1.
CAPACIDAD. ....................................................................................................................... 17
2.
DIMENSIONES. ................................................................................................................... 17
2.1
Cálculo de la madera necesaria para calentar el horno a temperatura de
carbonización............................................................................................................................ 17
2.1.1
Energía para carbonizar la madera......................................................................... 17
2.1.2
Análisis de combustión............................................................................................ 18
2.1.3
Poder calorífico superior e inferior. ......................................................................... 21
2.1.4
Cantidad de madera necesaria y flujo másico de la madera por hora.................... 22
2.2
Cálculo para la densidad de los gases y el flujo másico de estos. ............................. 26
2.2.1
Densidad de los gases de combustión. .................................................................. 26
2.2.2
Flujo másico de los gases de combustión. ............................................................. 30
2.3
Cálculo para las dimensiones de la chimenea. ........................................................... 30
2.3.1
El Tiro adecuado para la chimenea......................................................................... 30
2.3.2
Velocidad de los gases de combustión. .................................................................. 31
2.3.3
El Diámetro adecuado de la chimenea. .................................................................. 32
3.
PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO. ........................................................................... 33
4.
HERMETICIDAD. ................................................................................................................. 33
5.
MONITOREO DE LA TEMPERATURA Y PRESIÓN........................................................... 36
6.
FLUJO DE GASES............................................................................................................... 37
7.
8.
6.1
Cámara de combustión................................................................................................ 37
6.2
Tiro Natural. ................................................................................................................. 38
MANEJO DE LOS PRODUCTOS DEL PROCESO DE LA PIRÓLISIS............................... 39
7.1
Residuos sólidos.......................................................................................................... 39
7.2
Residuos líquidos. ....................................................................................................... 39
7.3
Gases de combustión. ................................................................................................. 39
DISEÑO ESTRUCTURAL. ................................................................................................... 40
8.1
Capacidad del Horno Metálico..................................................................................... 40
8.2
Cambios estructurales. ................................................................................................ 41
8.2.1
Chasis Primario. ...................................................................................................... 41
8.2.2
Soportes de piso para la recámara interna. ............................................................ 42
8.2.3
Sistema de Puertas. ................................................................................................ 42
8.2.4
Válvula de alivio....................................................................................................... 44
8.2.5
Hornilla. ................................................................................................................... 45
8.2.6
Chimenea o Torre de evacuación de gases de combustión................................... 46
8.2.7
Medidores de operación.......................................................................................... 47
8.2.8
Quemadores de los gases productos de la pirólisis................................................ 48
9.
CARGA Y DESCARGA DEL CARBÓN VEGETAL.............................................................. 49
9.1
Sistema de carga de leña............................................................................................ 49
10.
COSTO DE LA FABRICACIÓN DEL HORNO..................................................................... 50
11.
JUSTIFICACIÓN DEL NUEVO DISEÑO DE HORNO......................................................... 51
11.1
12.
Importancia del horno.................................................................................................. 51
ESPECIFICACIONES Y PLANOS DE CONJUNTOS. ....................................................... 52
12.1
Especificaciones generales del horno, materiales y procesos principales: ................ 52
12.1.1
Datos del horno:.................................................................................................. 52
12.1.2
Materiales principales: ........................................................................................ 52
12.1.3
Condiciones óptimas de operación:.................................................................... 52
12.2
Detalles de planos de conjunto del Horno................................................................... 53
12.2.1
Conjunto de horno completo............................................................................... 53
12.2.2
Chasis Primario................................................................................................... 54
12.2.3
Chasis Secundario.............................................................................................. 54
12.2.4
Puertas de Acceso.............................................................................................. 55
12.2.5
Lamina Protectora de intemperie........................................................................ 55
12.2.6
Recamara Externa.............................................................................................. 56
12.2.7
Recamara Interna. .............................................................................................. 56
12.2.8
Hornilla y Tubos Conductores de Gases............................................................ 57
12.2.9
Chinea del Horno. ............................................................................................... 57
12.2.10
Quemador Primario de Gases y Recolector de Alquitrán................................... 58
12.2.11
Quemador Secundario de Gases. ...................................................................... 58
13.
MODO DE OPERACIÓN BÁSICO....................................................................................... 59
14.
MANTENIMIENTO PREVENTIVO....................................................................................... 60
CONCLUSIONES ............................................................................................................................. 61
REFERENCIAS................................................................................................................................. 63
BIBLIOGRAFÍAS .............................................................................................................................. 65
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 2.1 MADERA APILADA ................................................................................................................ 3
FIGURA 2.2 CARBONERA EN FOSA DE TIERRA........................................................................................ 10
FIGURA 2.3 FOSA DE TIERRA DURANTE LA QUEMA. ................................................................................ 10
FIGURA 2.4 CARBONERA DE PARVA DE TIERRA EN CONSTRUCCIÓN......................................................... 10
FIGURA 2.5 PARVA DE TIERRA DURANTE SU CONSTRUCCIÓN.................................................................. 11
FIGURA 2.6 HORNOS MISSOURI HECHOS DE CEMENTO ARMADO............................................................. 11
FIGURA 2.7 HORNO METÁLICO TRANSPORTABLE. .................................................................................. 12
FIGURA 2.8 ARMADO DEL HORNO Y COLOCACIÓN DE LA LEÑA AL INTERIOR.............................................. 12
FIGURA 2.9 ENCENDIDO DEL HORNO Y UBICACIÓN DE LAS CHIMENEAS PARA EL HUMO. ............................ 13
FIGURA 2.10 CIRCULACIÓN DE LOS GASES Y OBTENCIÓN DEL CARBÓN VEGETAL. .................................... 13
FIGURA 2.11 RENDIMIENTOS................................................................................................................ 15
FIGURA 3.1 RELACIÓN HUMEDAD CONTRA LBO2/LBCOMB. ..................................................................... 24
FIGURA 3.2 RELACIÓN HUMEDAD CONTRA LBAIRE/LBCOMB ................................................................... 24
FIGURA 3.3 RELACIÓN HUMEDAD CONTRA LBGASES/LBCOMB. ............................................................... 25
FIGURA 3.4 RELACIÓN HUMEDAD CONTRA LB MADERA........................................................................... 25
FIGURA 3.5 RELACIÓN HUMEDAD CONTRA LB MADERA POR HORA. ......................................................... 26
FIGURA 3.6 RECORRIDO DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN....................................................................... 37
FIGURA 3.7 CÁMARA DE COMBUSTIÓN. ................................................................................................. 37
FIGURA 3.8 DIFERENCIA DE PRESIONES EN LA CHIMENEA....................................................................... 38
FIGURA 3.9 CHIMENEA EN CONJUNTO CON EL HORNO............................................................................ 38
FIGURA 3.10 ESTRUCTURA DEL HORNO. ............................................................................................... 40
FIGURA 3.11 APOYO FIJO DEL CHASIS PRIMARIO.................................................................................. 41
FIGURA 3.12 CHASIS PRIMARIO............................................................................................................ 41
FIGURA 3.13 SOPORTE DE PISO DE LA RECÁMARA INTERNA. .................................................................. 42
FIGURA 3.14 PUERTA EXTERNA PARA LA RECAMARA PRIMARIA............................................................... 42
FIGURA 3.15 PUERTA INTERNA PARA LA RECAMARA SECUNDARIA........................................................... 42
FIGURA 3.16 SISTEMA DE PUERTAS DOBLE SELLADO............................................................................. 43
FIGURA 3.17 BISAGRA PARA EL SISTEMA DE PUERTAS. .......................................................................... 43
FIGURA 3.18 VÁLVULA DE ALIVIO. ......................................................................................................... 44
FIGURA 3.19 VÁLVULA DE ALIVIO CON PANTALLA DE PROTECCIÓN. ......................................................... 44
FIGURA 3.20 HORNILLA Y TUBOS CONDUCTORES DE GASES................................................................... 45
FIGURA 3.21 BANDEJA RECOLECTORA DE CENIZAS................................................................................ 45
FIGURA 3.22 CHIMENEA DEL HORNO..................................................................................................... 46
FIGURA 3.23 EN LA CHIMENEA SE MUESTRA COMO SE SUJETA EL GORRO CHINO. .................................... 46
FIGURA 3.24 MEDIDORES DE TEMPERATURA Y PRESIÓN SUPERIORES. .................................................. 47
vii
FIGURA 3.25 MEDIDORES DE TEMPERATURA Y PRESIÓN INFERIORES..................................................... 47
FIGURA 3.26 QUEMADOR PRIMARIO. .................................................................................................... 48
FIGURA 3.27 QUEMADOR PRIMARIO. .................................................................................................... 48
FIGURA 3.28 CHASIS PRIMARIO CON TARIMA DE CARGA......................................................................... 49
FIGURA 3.29 CONJUNTO COMPLETO DEL HORNO METÁLICO JUNTO CON LOS QUEMADORES.................... 53
FIGURA 3.30 CHASIS PRIMARIO QUE SOPORTA EL PESO DEL HORNO METÁLICO. ...................................... 54
FIGURA 3.31 CHASIS PRIMARIO QUE SOPORTA EL PESO DEL HORNO METÁLICO. ...................................... 54
FIGURA 3.32 PUERTAS DE ACCESO AL HORNO METÁLICO. ...................................................................... 55
FIGURA 3.33 LAMINAS PROTECTORA DEL CHASIS PRIMARIO.................................................................... 55
FIGURA 3.34 RECAMA EXTERNA EN LA QUE CIRCULAN LOS GASES DE COMBUSTIÓN AL INTERIOR.............. 56
FIGURA 3.35 RECAMA INTERNA DONDE LA LEÑA ES CARBONIZADA. ......................................................... 56
FIGURA 3.36 HORNILLA
DONDE ES QUEMADA LA LEÑA PARA GUIAR LOS GASES DE COMBUSTIÓN POR LOS
TUBOS METÁLICOS............................................................................................................ 57
FIGURA 3.37 CHIMENEA DEL HORNO DONDE SON EVACUADOS LOS GASES DE COMBUSTIÓN..................... 57
FIGURA 3.38 QUEMADOR
PRIMARIO DONDE SON INCINERADOS PARTE DE LOS GASES PRODUCTOS DE LA
PIRÓLISIS. ........................................................................................................................ 58
FIGURA 3.39 QUEMADOR
PRIMARIO DONDE SON INCINERADOS LOS GASES RESTANTES PRODUCTOS DE LA
PIRÓLISIS. ........................................................................................................................ 58
viii
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 2.1 COMPARACIÓN DE RENDIMIENTOS. ....................................................................................... 15
TABLA 3.1 TEMPERATURAS, °C ............................................................................................................ 17
TABLA 3.2 MASA DE LOS ELEMENTOS. .................................................................................................. 18
TABLA 3.3 PODER CALORÍFICO. ........................................................................................................... 18
TABLA 3.4 ENERGÍA DE CARBONIZACIÓN. ............................................................................................. 18
TABLA 3.5 VALORES DEL ANÁLISIS ÚLTIMO PARA DIFERENTES MADERAS, EN BASE SECA. ........................ 19
TABLA 3.6 VALORES DEL ANÁLISIS ÚLTIMO PARA DIFERENTES MADERAS, EN BASE HÚMEDA. ................... 19
TABLA 3.7 COMPOSICIÓN DEL AIRE....................................................................................................... 20
TABLA 3.8 CONSTANTES DE COMBUSTIÓN. ........................................................................................... 20
TABLA 3.9 ANÁLISIS DE LOS REACTANTES PARA LBO2/LBCOMB ................................................................. 20
TABLA 3.10 ANÁLISIS DE LOS REACTANTES PARA LBAIRE/LBCOMB ............................................................... 21
TABLA 3.11 ANÁLISIS PARA LOS PRODUCTOS, LBGASES/LBCOMB .................................................................. 21
TABLA 3.12 PODER CALORÍFICO. ......................................................................................................... 22
TABLA 3.13 MASA DE LEÑA. ................................................................................................................. 22
TABLA 3.14 RESULTADOS DEL ANÁLISIS DE COMBUSTIÓN. .................................................................... 23
TABLA 3.15 RESULTADOS PARA LA MADERA.......................................................................................... 23
TABLA 3.16 MADERA NECESARIA PARA DISTINTOS VALORES DE HUMEDAD. ............................................. 23
TABLA 3.17 LBGASES/LBCOMB PARA DISTINTOS VALORES DE HUMEDAD......................................................... 27
TABLA 3.18 FRACCIONES DE GASES. .................................................................................................... 27
TABLA 3.19 PRESIÓN PARCIAL DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN, PA........................................................ 27
TABLA 3.20 CONSTANTE R DE LOS GASES, J / KG*K .............................................................................. 28
TABLA 3.21 TEMPERATURAS, °C .......................................................................................................... 28
TABLA 3.22 DENSIDAD AIRE, KG/M3 ...................................................................................................... 28
TABLA 3.23 DENSIDAD DE LOS GASES A LA PRESIÓN PARCIAL, KG/M3 ...................................................... 29
TABLA 3.24 DENSIDAD DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN, KG/M3............................................................... 29
TABLA 3.25 FLUJO DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN , M3/S ...................................................................... 30
TABLA 3.26 TIRO, MM. C.A ................................................................................................................... 31
TABLA 3.27 VELOCIDAD, M/S ................................................................................................................ 32
TABLA 3.28 DIÁMETRO, M .................................................................................................................... 32
ix
x
SIMBOLOGÍA
c:
Calor específico de cada uno de los cuerpos, J/kg*°C.
D:
Diámetro de la chimenea, m.
∆T:
Diferencia de las temperaturas del medio ambiente y la temperatura de
carbonización, °C.
Fgas:
Fracción de gas de los productos de los gases de combustión.
Gas:
Cantidad de lbgas/lbcomb de cada uno de los componentes de los gases de
combustión.
H:
Altura de la chimenea, pies.
h:
Valor de la humedad teórica en la madera.
K:
Factor de 80.1 para chimeneas de acero.
:
Flujo másico de los gases de combustión, kg/s.
m:
Masa de la leña utilizada para producir los gases de combustión, kg.
mi:
Masa de cada uno de los cuerpos en la cual estará sometida la leña a la
temperatura de carbonización, Kg
:
Eficiencia del sistema del horno.
P:
Poder calorífico o el poder calorífico inferior QL, MJ/Kg.
Pabs:
Adición de la presión atmosférica y la presión manométrica, para el caso la presión
manométrica es igual a cero por la presión absoluta es igual a la presión
atmosférica, Pa.
Pp:
Presión parcial del gas de combustión, Pa.
Q:
Energía para carbonizar la madera, MJ.
Qgas comb:
Flujo de los gases de combustión, m³/s.
QH:
Poder calorífico superior, MJ/kg
QL:
Poder calorífico inferior, MJ/kg.
R:
Constante R del gas, J/kg*K.
ρp:
Densidad del gas a la presión parcial, kg/m³.
ρaire:
Densidad del aire a temperatura ambiente, lb/pie3 o kg/m3.
ρgas_comb:
Densidad de los gases de combustión, kg/m³.
∑Gases:
Suma de las lbgas/lbcomb de los gases de combustión de la madera.
t:
Tiro de la chimenea, plg. Agua o mm. ca.
T:
Temperatura de los gases de combustión, °C.
V:
Velocidad de los gases de combustión en la chimenea, m/s.
w:
Humedad del compuesto del hidrógeno en los gases de combustión.
wi:
Fracción por la cual se dividirá cada valor del compuesto dado por el análisis
último.
xi
xii
PRÓLOGO
La presente tesis presenta la importancia de diseñar un horno metálico para cambiar los métodos
artesanales. Propone las mejoras realizadas a un horno metálico existente llamado RAUSSI y los
cálculos necesarios para su diseño.
En el primer capítulo se presenta la justificación de fabricar un horno metálico, las características
básicas del carbón vegetal, el consumo del carbón vegetal en el país y el las estadísticas históricas
que se tiene de dicho producto.
Luego en el segundo capítulo se describen las condiciones necesarias que la materia prima, la
madera, debe tener para ser transformado en carbón, así también como las especies más
utilizadas para su elaboración. Se detalla teóricamente el proceso de la pirólisis: las condiciones
que se necesitan para llevarse a cabo, los productos que se obtiene de esta y que se medidas se
deben tomar para estos. También se describe el proceso de la carbonización, siendo la última fase
que sufre la madera para convertirse en carbón. Además, se presentan las tecnologías o métodos
utilizados para elaborar el carbón vegetal y el rendimiento entre ellos. Finalmente la justificación del
uso del horno metálico.
En el tercer capítulo, se presenta el diseño del horno metálico propuesto. Aquí se encontrará
la capacidad de madera que se utilizará para la elaboración de carbón. Los métodos
ingeniería utilizados para el cálculo de las dimensiones de las partes relevantes del horno
metálico. Los parámetros que deben ser registrados a la hora de operar el horno. Las
condiciones herméticas que debe cumplir el horno durante su fabricación. Una hoja de
control para el registro de los parámetros medibles durante la operación. Los flujos de gases
que se producen durante el proceso. El manejo de los productos obtenidos de la
carbonización. El nuevo diseño estructural del horno y el costo de su fabricación en
materiales. Además las justificaciones del nuevo diseño, las especificaciones y los planos
de conjunto de las partes más relevantes del horno metálico.
xiii
CAPÍTULO 1
JUSTIFICACIÓN DEL HORNO TIPO RETORTA
1.
JUSTIFICACIÓN DEL DISEÑO DEL HORNO TIPO RETORTA.
Con el horno tipo retorta, la madera utilizada en la elaboración del carbón vegetal es aprovechada
mucho más que con los métodos artesanales como la parva y fosa, obteniéndose así un carbón
vegetal con alto grado de carbono fijo y poca humedad. Además, con este tipo de horno el control
del proceso de carbonización de la madera se facilita; es reutilizable, reduciendo costos de
fabricación de nuevos hornos; es transportable, llevando el horno al lugar donde se encuentra la
madera a carbonizar; no requiere de mucha experiencia para su manejo por parte del operario o
encargado del horno y se reduce la contaminación producida por la carbonización al medio
ambiente.
El horno tipo retorta contiene dos cámaras metálicas: la primera de ellas, tiene en su interior la
materia prima o madera, para la elaboración de carbón vegetal, aislándola del contacto directo con
el fuego o gases calientes producidos por este y le proporciona una hermeticidad plena. La
segunda, es la que contiene a la primera cámara y en su interior circulan los gases calientes
producidos por el fuego, para el calentamiento de la madera a carbonizar.
Durante la elaboración del carbón vegetal la madera en su descomposición química produce gases
inflamables. El horno tipo retorta aprovecha estos gases para el calentamiento del mismo,
reduciendo la madera utilizada para calentar la madera a carbonizar.
Los gases producidos por el fuego son guiados a través de una chimenea esta ayuda a evitar el
contacto con el operador para el cuidado de su salud.
El horno tipo retorta permite ser operado en cualquier época del año, manteniendo así una
producción de carbón vegetal constante, durante su vida útil, convirtiéndolo en un horno rentable.
2.
CARBÓN VEGETAL.
El carbón vegetal es un producto sólido, frágil y poroso con un alto contenido de carbono, del orden
del 80%, que se produce por la carbonización de materiales carbonoso como la madera, a
temperaturas de 400°C a 600°C, en ausencia de aire, bajo condiciones controladas, en un espacio
cerrado, como es el horno tipo retorta.
1
El control se hace sobre la entrada del aire, durante el proceso de pirólisis o de carbonización, para
que la madera no se queme simplemente en cenizas, como sucede en un fuego convencional, sino
que se descomponga químicamente para formar el carbón vegetal.
El poder calorífico del carbón vegetal oscila entre 29.000 y 35.000 kJ/kg, y es muy superior al de la
madera que oscila entre 12.000 y 21.000 kJ/kg.
El ciclo de fabricación del carbón vegetal condiciona las propiedades del mismo. En particular el
tiempo de carbonización y el tiempo de enfriado.
2
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO PARA LA FABRICACIÓN DE CARBÓN CON HORNO TIPO RETORTA
1. MATERIA PRIMA.
La madera es la materia prima utilizada para fabricar carbón vegetal. Las condiciones de la madera
y el tipo de horno utilizado para la elaboración del carbón vegetal definen al final del proceso de
carbonización la calidad del producto final.
Las mejores maderas son las de corteza dura, debido a su estructura y composición, entre las más
utilizadas y de buen producto se tiene la madera de Eucalipto.
2. CONDICIONES NECESARIAS PARA LA MATERIA PRIMA.
El porcentaje de humedad en la leña influye mucho sobre el rendimiento que tendrá el carbón
vegetal. Cuanto más seca esté la madera a carbonizar menos combustible será necesario para
calentar el horno de retorta y evaporar la humedad remanente. Una técnica fácil y económica para
el secado de leña es cortarla en bloques cortos y dejarla expuesta al sol, esto ayudará a evaporar
parte del agua contenida en la madera.
El contenido de humedad en el momento de la tala podría ser, del 60% y después del apilado de la
madera durante tres meses el contenido de humedad puede reducirse al 30-35%.
Figura 2.1 Madera apilada
Durante el secado, la madera puede podrirse y ser atacada por insectos; esto se da en los bosques
tropicales húmedos. Por lo tanto, debe controlarse el tiempo del secado para asegurar que se
llegue al mínimo y rápidamente, antes que la madera se deteriore.
3
3. PROCESO DE RETORTA DE LEÑA.
Existen varios métodos para obtener carbón vegetal, estos métodos varían según sea el tipo de
horno utilizado. El proceso se puede dar de forma directa e indirecta, esto se refiere a las
condiciones a las que estará expuesta la leña a la hora de convertirse en carbón.
En el caso de un proceso directo podemos poner como ejemplo el método de parva; acá la leña a
carbonizar está en contacto con el fuego. Por lo que tendrá propiedades específicas debido a este
proceso, las cuales son: porcentaje de carbono fijo, porcentaje de humedad, poder calorífico,
porcentaje de cenizas, contenido de azufre y peso específico.
En un proceso indirecto las propiedades antes mencionadas serán las mismas pero con mejores
valores. Dentro de este grupo se encuentra el método de retorta, el cual se basa en el
calentamiento de la leña a carbonizar a través de recamaras que por lo general son cilíndricas y de
metal, teniendo como principio la transferencia de calor por parte de un agente externo.
Durante todo el proceso la leña no tiene contacto directo con el fuego ni otro elemento externo, lo
cual da lugar a un fenómeno llamado Pirólisis. Este fenómeno brinda a la leña un efecto tal, que las
propiedades ya mencionadas resultan ser aptas para el consumo del carbón como agente
combustible.
Los hornos de acero tipo retorta tienen dos ventajas: pueden ser trasladados con facilidad, lo que
puede ser muy útil y se enfrían rápidamente, con lo que el ciclo de tiempos es más corto.
Las retortas de acero, calentadas a través de las paredes, no son muy usadas en la actualidad por
su alto costo, pero producen carbón vegetal de excelente calidad y hacen posible la recuperación
de los subproductos.
Sin embargo, su elevada inversión de capital no es atractiva, excepto cuando el costo del obrero
para los métodos tradicionales desequilibra el alto costo de capital. Estas retortas en la actualidad
se usan principalmente para fabricar carbón vegetal de alta calidad, para usos metalúrgicos y
químicos.
4
4. PIRÓLISIS.
4.1 Descripción del proceso.
El término de pirólisis consiste en el cambio químico de los componentes de la madera por medio
de calor, en ausencia de oxígeno y dicho proceso es enfocado a la obtención de los gases y
aceites que se producen. Se considera que dicho proceso químico se inicia a temperaturas del
orden de 250°C – 300°C. La pirolisis desde un punto de vista macro se puede esquematizar de la
siguiente manera:
Biomasa + Calor + → Carbono + Líquido + Gases
4.2 Condiciones necesarias para llevarse acabo el proceso de pirólisis.
En primer lugar es deseable que el contenido en humedad de la madera sea lo más bajo posible y,
en cualquier caso, no superior al 15 - 20%.
Dado que la madera fresca recién cortada contiene un 40 - 60% de agua, se aconseja una
desecación previa de la misma al aire libre expuesta al sol, o por cualquier otro procedimiento. Si
se parte de madera seca puede obtenerse un rendimiento entre el 25% y 33% de carbón vegetal.
Debido al requerimiento de ausencia de aire, tanto el reactor de pirólisis como las válvulas de
entrada y salida de materia deben ser perfectamente herméticas y estancadas. Esto acelera las
reacciones de termo reducción. En la pirólisis convencional, el prolongado tiempo de residencia de
los sólidos, asegura la homogeneidad de la transformación de manera ordenada, completa y
homogénea.
La combinación de ausencia de oxígeno y temperatura moderada consigue que los componentes
inorgánicos presentes, en particular los metales pesados, no se puedan volatilizar y pasen a la
fracción residual carbonosa.
4.3 Productos finales.
Cuando la madera está seca y calentada alrededor de 280°C, comienza espontáneamente a
fraccionarse, produciendo carbón más vapor de agua, ácido acético y compuestos químicos más
complejos, fundamentalmente en la forma de alquitranes y gases no condensables, que consisten
principalmente en hidrógeno, monóxido y bióxido de carbono.
5
Productos:
1. Gases (combustible gaseoso de bajo o medio poder calorífico).
La corriente de gas que contienen básicamente hidrógeno, metano, monóxido de carbono,
dióxido de carbono y otros varios gases, dependiendo de las características orgánicas del
material que es pirolizado y de las condiciones de operación.
2. Líquidos (Bio-aceite combustible, Bio-oil).
La fracción condensable, líquida a temperatura ambiente, integrada por un conjunto
heterogéneo de vapores, consiste en alquitranes y/o bien aceites que contiene agentes
químicos tales como ácido acético, acetona y metanol.
3. Sólidos (carbón vegetal).
Un coque o char residual consiste en carbono casi puro mezclado con el material inerte que
entra en el proceso.
4.3.1
Disposición de los productos finales.
Los subproductos pueden ser recuperados, pasando los gases liberados a través de una serie de
condensadores de agua, obteniéndose el llamado ácido piroleñoso, y el gas de la madera no
condensable puede ser quemado proporcionando calor para fines múltiples.
El gas de la madera puede ser usado sólo como combustible, y se compone típicamente de 17%
de metano, 2% de hidrógeno, 23% de monóxido de carbono, 38% de bióxido de carbono, 2% de
oxígeno y 18% de nitrógeno. El gas tiene un valor calorífico de alrededor de 10,8 MJ por m3 (290
BTU/p3), o sea alrededor de un tercio del valor calorífico del gas natural, lo cual permite usarlo
como combustible del mismo horno y así incrementar la eficiencia total del proceso.
El ácido piroleñoso es el nombre del condensado en bruto y se compone principalmente de agua.
Es un líquido sumamente contaminante, nocivo y corrosivo. Este debe ser tratado correctamente
para obtener los subproductos para la venta o eliminandolo por quema con la ayuda de otros
combustibles, como la madera o con gas de madera. Los otros componentes, fuera del agua, son
alquitranes de madera, tanto los solubles en agua como los insolubles, el ácido acético, el metanol,
la acetona y otros complejos químicos en menores cantidades. Si se lo deja en reposo, el ácido
piroleñoso se separa en dos capas consistentes en el alquitrán insoluble en el agua y la capa
acuosa que contiene los otros productos químicos.
El carbón vegetal es utilizado en nuestro medio con fines domésticos, pero en países desarrollados
sus usos son más amplios, como por ejemplo carbón activado el cual posee una capacidad de
adsorción elevada y se utiliza para la purificación de líquidos y gases. También es utilizado como
6
combustible industrial. El carbón vegetal es una fuente de energía renovable, lo que aumenta su
interés como combustible en la actualidad.
Otra de las aplicaciones del carbón vegetal es la fabricación de pólvora. La pólvora negra se
compone de un 75% de salitre (nitrato de potasio), un 12% de azufre y un 13% de carbón vegetal.
Dado que el carbón vegetal es un material poroso, otra de sus aplicaciones es su uso como
adsorbente. También se usa para adsorber moléculas de un tamaño relativamente grade (como los
colorantes), dado que la mayoría de la porosidad de los carbones vegetales cae dentro del rango
de los macro poros (anchura del poro > 50 nm).
5. DISEÑO DE HORNO TIPO RETORTA.
El horno tipo retorta debe cumplir con las características que exige el proceso de retorta y en
específico las del proceso de pirólisis, por lo tanto hay aspectos a tomar muy en cuenta a la hora
de diseñarlo, tales como:
•
Estructura estable
El horno tipo retorta debe contar con una estructura que brinde soporte y estabilidad en todo su
tiempo de vida útil, por lo que la mejor alternativa es construirlo a base de acero estructural,
con un chasis principal de soporte y una chasis secundario que brinde estabilidad a todo el
conjunto.
•
Sistema encerrado para calentar la leña (recamara interna)
Un sistema hermético dentro del cual se depositará la leña para ser convertida en carbón es
indispensable, dado que la hermeticidad garantizará el buen producto, es un factor a tomar en
cuenta, el acceso a esta recamara deberá proporcionar hermeticidad, por ello un sistema de
puerta cerrada a presión es una buena alternativa y con respecto al material, lámina de acero
de un espesor aceptable brindaría seguridad y durabilidad valiosa para el diseño.
•
Fuente de calor externa (Hornilla)
La fuente de calor para el horno es clave para el funcionamiento, debido a que de ahí será
donde partirá la energía de todo el sistema, para ser luego transmitida al producto, por ello esta
hornilla debe ser diseñada en función de la distribución y alimentación de calor, el tamaño lo
definirá la capacidad del horno, puesto que el caudal de humo necesario para calentar la leña,
deberá ser suficiente para llevar a cabo el proceso sin excesos ni carencias de energía, al
igual que los demás elementos deberá poseer una estructura de acero y
7
contar con un
recubrimiento de ladrillos refractarios, esto debido a su difícil tarea de soportar todo el calor
generado con la quema de leña dentro de la misma.
•
Sistema de distribución de calor externa (recamara externa).
Para poder calentar la recamara interna es necesario proveer un sistema que proporcione un
calentamiento casi uniforme de todo el producto, por ello un sistema de recamaras
concéntricas resulta bastante eficiente ya que los gases producidos en la hornilla estarán
dentro de la recamara externa, pero a su ves estarán fuera de la recamara interna.
Esta recamara debela tener un entrada y una salida de gases provenientes de la hornilla de
quemado, la recamara externa deberá ser de material resistente y duradero, por lo tanto el
acero del cual se haría la recamara interna seria una buena opción para la recamara externa.
•
Manejo de residuos (tubería de evacuación de gases y alquitrán).
Los residuos resultan ser uno de los aspectos a evaluar muy seriamente, debido a que la
mayoría son utilizables y nocivos a la ves, es preciso buscar una manera eficiente de usarlos
sin dañar el medio ambiente, con respecto a los gases provenientes de la materia prima, sería
una excelente opción
guiarlos a través de tuberías
hacia la hornilla de quemado, luego
regularlos por medio de válvulas de paso, para ser utilizados como combustible.
Con respecto a los alquitranes, se debe crear sistemas de recolección y almacenamiento que
sean capaces de soportar las propiedades nocivas de estos residuos y que además duren un
tiempo de vida aceptable.
Los materiales de los cuales estará hecho este horno deberán ser de fácil acceso y de precios
no elevados, ya que el objetivo es brindar una alternativa ecológica, economiza y rentable de
fabricación de carbón que sea siempre amigable con el medio ambiente.
•
Sistemas de supervisión y control del proceso.
Todo proceso eficiente debe tener parámetros para evaluar su desempeño, en este caso se
debe proporcionar al operario un señal de que no se sobrepasan los limites permitidos de
operación, también mecanismos que le den el poder de acelerar o disminuir la velocidad del
proceso, por ello la necesidad de colocar medidores de temperatura y de presión así como
compuertas dampers que regulen los gases creados en la hornilla de quemado.
Como en todo buen diseño no debe faltar la visión del mantenimiento y el reemplazo de piezas
corrosibles. Esto enfocado a obtener un tiempo de vida mayor y un rendimiento constante con el
paso del tiempo y el uso.
8
6. TECNOLOGÍAS MÁS COMUNES.
6.1 Descripción.
En esencia para obtener carbón vegetal a partir de la madera lo que se hace es crear una barrera
física que aísla la madera en contacto con el aire, para evitar que al calentarla el oxígeno del aire la
incendie. Las diferentes tecnologías que se utilizan se basan en:
¾ En las distintas formas de crear esta barrera física. Puede ser de ladrillos refractarios, cemento
armado, la superficie de la tierra y de metal.
¾ En las distintas formas de secar y calentar la madera. Si el calor empleado es originado por la
propia madera de la carga o por algún combustible (gas, madera, fuel) que se separa de la
carga de madera que va a ser carbonizada.
¾ En función de la continuidad del proceso de producción. En los procesos continuos, el carbón
se obtiene sin interrupción como el horno tipo retorta. Y frente a los procesos discontinuos o
por lotes, en los que transcurren varios días para la elaboración de carbón vegetal como el
horno tipo parva.
Las tecnologías continuas o indirectas y de alta producción, con sistemas de control más o menos
sofisticados, se denominan industriales tal como es el horno tipo torta. Y a diferencia de las
artesanales como la parva tradicional que es un proceso por lotes.
6.2 Métodos para la elaboración de carbón vegetal.
6.2.1
Método de Fosa.
Hay dos modos diversos de usar la barrera de tierra en la fabricación de carbón vegetal:
1. Excavar una fosa, rellenarla de madera y taparla con tierra escavada para aislar la cámara.
2. La otra es de tapar un montículo o pila (parva) de madera sobre el suelo, con tierra. La tierra
viene a formar la barrera aislante impermeable a los gases necesarios, detrás de la cual puede
tener lugar la carbonización sin infiltraciones de aire, que haría quemar el carbón hasta
reducirlo en cenizas.
Para este método se necesita una capa de suelo profundo. Depósitos adecuados de suelo liviano
pueden normalmente encontrarse a lo largo de los bancos de un arroyo. Pueden hacerse fosas
muy grandes y un ciclo puede abarcar hasta tres meses para completarse. La inversión de capital
es mínima; no se necesita nada más que una pala, un hacha y una caja de fósforos, pero es un
9
método que desperdicia mucho los recursos. Además es muy difícil de controlar la circulación de
los gases en la fosa. Mucha madera se quema quedando en cenizas, porque le llega demasiado
aire. Otra parte queda sólo parcialmente carbonizada.
Figura 2.2 Carbonera en fosa de tierra.
6.2.2
Figura 2.3 Fosa de tierra durante la quema.
Método de Parvas.
La alternativa a excavar una fosa es la de apilar la madera sobre el suelo y cubrir la parva con
tierra. Este también es un método muy antiguo y se usa ampliamente en muchos países,
encontrándose con muchas variaciones al método fundamental. La parva es también más práctica
en zonas agrícolas, donde las fuentes de leña pueden hallarse dispersas, y es deseable hacer el
carbón vegetal cerca de los pueblos u otros emplazamientos permanentes.
Figura 2.4 Carbonera de parva de tierra en construcción.
El sitio de una parva puede ser usado repetidamente. La leña que será carbonizada en una parva
puede también ser juntada sin apuro durante un lapso de meses, apilada en posición, haciendo
que se seque bien antes de tapar y quemar. Ello va de acuerdo con la manera de vivir de un
pequeño agricultor, quien puede juntar pedazos de madera, ramas y trazas y apilarlos con cuidado
para formar el montón. Al cabo de algunos meses, según la estación, según los precios del carbón
vegetal, etc., recubre el montón con tierra y quema el carbón. Genera de esta manera un pequeño
ingreso en efectivo, sin tener necesidad de un gasto inicial en moneda.
10
Figura 2.5 Parva de tierra durante su construcción.
6.2.3
Método de Horno de ladrillo.
Los hornos de ladrillos, construidos y operados correctamente, representan sin duda uno de los
métodos más efectivos para la producción de carbón vegetal. En el curso de varias décadas de
uso, estos hornos han demostrado ser una inversión de capital moderada, requerir poca mano de
obra y poder dar rendimientos sorprendentemente buenos de carbón vegetal de calidad apta para
todos sus usos industriales y domésticos.
Figura 2.6 Hornos Missouri hechos de cemento armado.
Para tener éxito, el horno de ladrillo debe satisfacer una cantidad de requisitos importantes. Tiene
que ser sencillo en su construcción, que las tensiones térmicas al calentarse y enfriarse,
relativamente no lo afecten, y que sea suficientemente robusto para aguantar las tensiones
mecánicas de la carga y descarga. Por un período de seis a diez años no se perjudican a causa de
las lluvias o del clima.
6.2.4
Método de Horno Metálico Cilíndrico.
En los años 30 se difundió en Europa, para la fabricación de carbón vegetal, el empleo de hornos
metálicos cilíndricos transportables. Durante la Segunda Guerra Mundial su técnica fué
desarrollada aún más por el Reino Unido (U.K) en su laboratorio de investigación de productos
forestales (UK Forest Products Research Laboratory). Diversas versiones del diseño original fueron
usadas de una extremidad a otra en el Reino Unido. Esta tecnología fue transferida a los países en
11
vía de desarrollo a fines de los años 60. Especialmente con las actividades del Departamento
Forestal de Uganda.
Figura 2.7 Horno metálico transportable.
Las principales características del horno de retorta tipo cilíndrico son:
¾ Se usa una chapa de acero de 3mm de espesor para fabricar la sección del fondo del horno;
para la sección superior y para la tapa se usa chapa de acero de 2mm de espesor.
¾ Las dos secciones principales del horno son cilíndricas.
¾ Se usan repisas con perfiles de hierro ángulo de 50 mm, para soportar la sección superior y la
tapa. Estos soportes están soldados en la parte interna del borde más alto de las dos
principales secciones cilíndricas.
¾ Los ocho tubos de entrada/salida, ubicados debajo de la sección inferior del horno, se abren en
la base. Alrededor del hueco en la cara superior de cada canal, se ha previsto un collar para
sostener la chimenea durante el funcionamiento del horno.
¾ En la tapa del horno hay cuatro bocas a igual distancia, para la liberación del vapor.
A continuación se presenta una descripción gráfica de la elaboración de carbón vegetal en horno
metálico cilíndrico.
Figura 2.8 Armado del horno y colocación de la leña al interior.
12
Figura 2.9 Encendido del horno y ubicación de las chimeneas para el humo.
Figura 2.10 Circulación de los gases y obtención del carbón vegetal.
Las principales ventajas del horno metálico comparados con los métodos tradicionales:
•
La materia prima y el producto están dentro de un recipiente cerrado, permitiendo el máximo
control de la entrada de aire y de la corriente de gases, durante el proceso de carbonización.
•
El personal inexperto puede ser entrenado en poco tiempo y hacer funcionar con facilidad
estas unidades.
•
Se requiere menos supervisión del proceso, mientras que para la fosa o la parva, es necesario
el cuidado constante.
•
Puede aprovecharse todo el carbón obtenido en el proceso. Con los métodos tradicionales
(fosa y parva) parte del carbón vegetal producido se pierde en el terreno, y el que se recupera
está, a menudo, contaminado con tierra y piedras.
•
Los hornos metálicos transportables, pueden funcionar en áreas con mucha lluvia, siempre que
el sitio tenga un drenaje correcto. Los métodos tradicionales de producción de carbón vegetal,
funcionan con dificultades en ambientes muy húmedos.
•
Una mayor variedad de materias primas pueden ser carbonizadas con el máximo control del
proceso, incluyendo coníferas, madera de deshechos, madera de palma de coco y cáscaras de
coco.
•
El ciclo total de producción, cuando se usan hornos metálicos, es entre dos y tres días.
•
Los hornos metálicos pueden ser transportables para ir detrás de las extracciones comerciales
de la madera, de los raleos de las plantaciones y de las operaciones de limpieza del terreno.
Ello significa que puede evitarse el transporte complicado y caro de la madera a lugares
centralizados de elaboración.
•
El ciclo total de operación para esas unidades es de aproximadamente de una semana,
mientras que para los hornos metálicos es de dos a tres días.
13
7. RENDIMIENTO.
Para el rendimiento de cada uno de los tipos de horno presentados es en base a la relación de la
cantidad de carbón vegetal obtenido entre la cantidad de leña real útil:
Carbòn vegetal obtenido
* 100
Leña útil
Horno tipo Retorta1:
•
Carbón 4
= = 83.33%
6
Leña
Horno de Ladrillo2:
•
Carbón
1
=
= 47.61%
Leña
2.1
Horno Cilíndrico Metálico3:
•
1083 kg
*100 = 0.2812%
3285 kg
(con valor máximo alcanzado de 31.4%)
Horno de Fosa4:
•
6 ton
*100 = 22.22%
27 ton
Horno de Parva5:
•
Carbón 1
= = 16.66%
Leña
6
____________________________________
1
Ing. Alberto Valdivieso (propietario del horno RAUSSI)
2-5
http://www.fao.org/docrep/X5328S/X5328S00.htm
14
(Ec. 2.1)
Tabla 2.1 Comparación de rendimientos.
Tipo de Horno
Rendimiento
Horno tipo retorta
83.33%
Horno de ladrillo
47.61%
Horno cilíndrico metálico
28.12%
Horno de fosa
22.22%
Horno de parva
16.66%
Como puede observarse en la tabla 2.1 el horno tipo retorta presenta el mayor rendimiento
entre los hornos utilizados para la elaboración de carbón vegetal.
8. COMPARACIÓN GRÁFICA DEL RENDIMIENTO.
Comparación de rendimientos
100.00%
80.00%
60.00%
40.00%
20.00%
0.00%
Rendimientos
Horno tipo retorta
Horno de ladrillo
Horno cilíndrico
metálico
Horna de fosa
Horno de parva
83.33%
47.61%
28.32%
22.22%
16.66%
Figura 2.11 Rendimientos.
Gráficamente puede observarse que el horno metálico tipo retorta es el que presenta el mayor
rendimiento respecto a la producción de carbón vegetal. Por lo que la cantidad de leña utilizada
para carbonizar se aprovecha en gran parte por el horno, haciéndolo más rentable a comparación
de los demás hornos.
15
9. JUSTIFICACIÓN DEL USO DEL HORNO METÁLICO.
Al producir carbón vegetal a través de los métodos tradicionales como el de parvas o fosa, el medio
ambiente se ve afectado en gran medida a causa de los subproductos obtenidos por la
carbonización de la leña, siendo el principal la tierra. El uso del horno metálico contrarresta en gran
medida, la contaminación de los subproductos a la tierra. Ya que el proceso de pirólisis y
carbonización se dan dentro del recinto aislado, herméticamente, del medio ambiente, lo que hace
posible tener mayor control de los subproductos de dichos procesos. Además, el carbón vegetal
con el que se cuenta al final de l proceso es de encendido fácil, gran tiempo de abrasión y libre de
aditivos y conservantes, siendo cien por ciento orgánico.
El horno metálico permite que la producción de carbón vegetal permita carbonizar residuos de
raleos, podas o trabajos de mejoramiento de bosque. El proceso de carbonización es corto, al igual
que su enfriamiento, pero esto da paso, rápidamente, que el carbón este listo para su venta.
Un aspecto importante del uso del horno metálico es que se evita la respiración de los gases
producidos por todo el proceso para elaborar el carbón vegetal, ya que estos son controlados por
medio de tuberías que redireccionan los gases según se requieran.
La aplicación del horno metálico tiene gran influencia positiva sobre las familias rurales, ya que se
aprovecha un residuo de su actividad, la leña, para obtener un producto con valor agregado, el
carbón, factible de ser colocado en el mercado. Esto es particularmente importante durante el
invierno, ya que durante este periodo se dificulta mucho utilizar los métodos tradicionales para la
producción de carbón vegetal. Además los hornos metálicos pueden ser transportados y hechos
rodar sobre el terreno forestal para ir detrás de las extracciones comerciales de la madera, de los
raleos de las plantaciones y de las operaciones de limpieza del terreno. Ello significa que puede
evitarse el transporte complicado y caro de la madera a lugares centralizados de elaboración.
16
CAPÍTULO 3
DISEÑO DEL HORNO TIPO RETORTA
1. CAPACIDAD.
La capacidad del Horno Tipo Retorta es aproximadamente de 5m3 de carga de madera a
carbonizar.
2. DIMENSIONES.
En este apartado se mostrarán los cálculos realizados para determinar los valores aproximados de:
2.1 Cálculo de la madera necesaria para calentar el horno a temperatura de carbonización.
2.1.1
Energía para carbonizar la madera.
La energía de carbonización es la cantidad de energía requerida, aproximadamente, para
transformar la madera en carbón a través del proceso de pirólisis. La ecuación utilizada es la
siguiente:
Q = ∑ (c ∗ m * ∆T )
(Ec. 3.1)
Donde:
“m” es la masa de cada uno de los cuerpos en la cual estará sometida la leña a la temperatura de
carbonización, kg
“c” es el calor específico de cada uno de los cuerpos, J/kg*°C.
“∆T” es la diferencia de las temperaturas del medio ambiente y la temperatura de carbonización,
°C.
Tabla 3.1 Temperaturas, °C
Ambiente Al interior del horno
26
400
En la tabla 3.2 se muestran los valores de masa en kg para la madera, el aire y el acero. Al
introducir la madera en la recámara secundaria existen espacios entre los trozos de madera. Este
espacio se considerada como el 10% menos del volumen teórico de la madera a carbonizar, es
decir, que al volumen teórico de la madera se resta el 10% de la misma madera para obtener,
17
aproximadamente, el volumen de la madera que será carbonizada. Ese mismo valor que se resta a
valor de la madera es el volumen de aire dentro de la recámara secundaria. Y para el acero es el
volumen de todas las paredes que conforman la recámara secundaria. El volumen de la madera a
carbonizar es de 5 m3.
Con los valores de densidad y volumen se obtiene un valor aproximado de la masa para cada
elemento.
Tabla 3.2 Masa de los elementos.
Densidad (kg/m3)Volumen (m3)Masa (kg)
300.00
4.50
1350.00
Madera
1.18
0.50
0.59
Aire
7850.00
0.17
1334.50
Acero
Con estos valores obtenidos, los poderes caloríficos para cada elemento y las diferencias de
temperatura hacemos uso de la ecuación 3.1 para calcular la energía de carbonización requerida:
Tabla 3.3 Poder Calorífico.
Madera
Aire
Acero
C (J/(kg*°C) m (kg)
1700.00
1350.00
1004.00
0.59
460.00
1334.50
∆T (°C) Q (MJ)
374.00 858.33
374.00
0.22
374.00 229.59
Q (BTU)
813539.76
209.98
217606.82
Al sumar los valores obtenidos de la energía de carbonización para la madera, el aire y el acero,
presentados en la tabla 3.3, se obtiene el siguiente valor que representa aproximadamente la
cantidad energía necesaria para carbonizar la madera:
Tabla 3.4 Energía de Carbonización.
Humedad en la
madera
15%
2.1.2
Q=(∑c*m)*∆T
MJ
BTU
1,088.14
1031356.56
Análisis de combustión.
Con el análisis de combustión se determinará a partir del análisis último de la madera la relación en
masa de los gases de combustión respecto a la masa de leña utilizada. A continuación se
presentan algunas especies de madera con el análisis último, en base seca:
18
Tabla 3.5 Valores del Análisis Último para diferentes maderas, en base seca.
Nombre
Madera
Haya
Negro Langosta
Douglas Abeto
Hickory
Maple
Pino Ponderosa
Alamo
Cenizas
%
0.65
0.80
0.80
0.73
1.35
0.29
0.65
C
%
51.64
50.73
52.30
47.67
50.64
49.25
51.64
H2
%
6.26
5.71
6.30
6.49
6.02
5.99
6.26
O2
%
41.45
41.93
40.50
43.11
41.74
44.36
41.45
N2
%
0.00
0.57
0.10
0.00
0.25
0.06
0.00
S
%
0.00
0.01
0.00
0.00
0.00
0.03
0.00
Para agregar humedad a los diferentes tipos de madera presentados en la tabla 3.5 se utilizará la
siguiente ecuación:
wi
=h
wi + 1
(Ec. 3.2)
En donde h, es el valor de la humedad teórica en la madera y wi es la fracción por la cual se
dividirá cada valor del compuesto dado por el análisis último. Por ejemplo:
Para la madera “Haya” y el porcentaje de carbón de 51.64% se tiene que:
Humedad en la madera: 0.15
Despejando w se tiene un valor de 1.176
Al dividir cada valor de los componentes de la tabla 3.5 se obtienen los siguientes valores:
Tabla 3.6 Valores del Análisis Último para diferentes maderas, en base húmeda.
Nombre
Madera
Haya
Negro Langosta
Abeto Douglas
Hickory
Maple
Pino Ponderosa
Alamo
Cenizas
%
0.65
0.80
0.80
0.73
1.35
0.29
0.65
C
%
43.89
43.12
44.46
40.80
43.04
41.86
43.89
H2
%
5.32
4.85
5.36
5.61
5.12
5.09
5.32
O2
%
35.23
35.64
34.43
37.40
35.48
37.71
35.23
N2
%
0.00
0.48
0.09
0.00
0.21
0.05
0.00
S
%
0.00
0.01
0.00
0.00
0.00
0.03
0.00
H2O
%
15.00
15.00
15.00
15.00
15.00
15.00
15.00
Como puede observarse los valores de los componentes para cada una de las maderas ha
cambiado y es añadida una nueva columna, que contiene el porcentaje de humedad en la madera.
19
Para el cálculo del análisis de combustión es necesario utilizar las siguientes constantes de
combustión:
Tabla 3.7 Composición del aire.
1.30%
76.85%
H2O Aire
N2 Aire
Tabla 3.8 Constantes de Combustión.
No.
1
2
3
4
5
lb / lb de combustión
Necesario para la combustión
Productos Combustión
Formula
O2
N2
Aire
CO2
SO2
H2O
N2
C
2.664
8.863
11.527
3.664
8.863
H2
7.937 26.407
34.344
8.937 26.407
O2
N2
S
0.998
3.287
4.285
1.998
3.287
Sustancia
Carbón
Hidrógeno
Oxígeno
Nitrógeno
Azufre
Con los datos presentados en la tabla 3.7 se realizarán los cálculos para el análisis de combustión,
tabla 3.6, utilizando los valores del análisis último de la madera nombrada “Haya”:
Para el cálculo de lbO2/lbcomb se multiplica la cantidad de porcentaje/100 del reactante por la
constante de combustión respectiva, tabla 3.8, con la excepción del O2. Al realizar esta operación
los productos obtenidos son sumados tal como se muestra en la tabla 3.9 para obtener las
lbO2/lbcomb.
Tabla 3.9 Análisis de los Reactantes para lbO2/lbcomb.
A 100% aire
Reactantes
%
lbO2/lbcomb
lbO2/lbcomb
C
43.89 2.664
lbO2 / lbC
1.169
1.592
H2
5.32
7.937
lbO2 / lbH2
0.422
0.352
S
0.00
0.998
lbO2 / lbS
0.000
O2
35.23
-
-
-
N2
0.00
-
-
-
H2O
15.00
-
-
-
Cenizas
0.65
-
-
1.239
De igual manera se realizan los cálculos para determinar las lbaire/lbcomb, multiplicando la constante
de combustión por la cantidad de porcentaje/100 del reactante. Hecho esto se suman los productos
20
de lbaire/lbC, lbaire/lbH2 y lbaire/lbS, a esta se le resta la cantidad obtenida de lbaire/lbO2. Con ello se
obtiene la cantidad de lbaire/lbcomb.
Tabla 3.10 Análisis de los Reactantes para lbaire/lbcomb
Reactantes
%
C
43.89 11.527 lbaire/lbC
H2
5.32 34.344 lbaire/lbH2
S
0.00 4.285 lbaire/lbS
O2
35.23 4.32 lbaire/lbO2
N2
0.00
H2O
15.00
Cenizas
0.65
-
lbaire/lbcomb
5.060
1.827
0.000
1.522
-
A 100% aire
lbaire/lbcomb
6.887
1.522
5.365
En el análisis de los productos, se multiplicará las cantidades de porcentajes de los reactantes por
la constante para los productos de combustión. Para el agua contenida en el aire se retoman las
lbaire/lbcomb que es de 5.365, tabla 3.10, obtenida en el análisis anterior, y se multiplica por el valor
del agua contenida en el aire presentado en la tabla 3.7. Para el N2 nuevamente se retoma el valor
de 5.365 lbaire/lbcomb multiplicado por la cantidad en porcentaje/100 del N2 sumado al valor del
nitrógeno contenido en el aire, tabla 3.7, para obtener las lbN2/lbcomb. Con estas operaciones se
obtiene las lbgases/lbcomb producida por la madera mostrada en la tabla 3.11.
Tabla 3.11 Análisis para los Productos, lbgases/lbcomb
Reactantes
C
%
43.89
H2
5.32
S
N2
0.00
0.00
2.1.3
Productos
> CO2
H2O (hidrogeno)
> H2O (humedad)
H2O (Aire)
> SO2
> N2
3.664
8.937
0.150
5.365
1.998
-
lbCO2/lbC
lbH2O/lbH2
lbH2O/lbH2
lbaire/lbcomb
lbSO2/lbS
-
lbgases/lbcomb
1.608 lbCO2/lbcomb
0.476 lbH2O/lbcomb
0.150 lbH2O/lbcomb
0.070 lbH2O/lbcomb
0.000 lbSO2/lbcomb
4.123 lbN2/lbcomb
Poder calorífico superior e inferior.
Para el cálculo del poder calorífico, se utilizarán las siguientes ecuaciones:
•
Poder Calorífico Superior:
Q H = 14544 * C + 62028 * ( H 2 −
O2
) + 4050 * S
8
Donde:
C, H2, O2 y S representan los valores del análisis último para la madera.
•
Poder Calorífico Inferior :
21
(Ec. 3.3)
Q L = Q H − 1040 * w
(Ec. 3.4)
Donde:
“w” es la humedad de 0.476 lbH2O/lbcomb en los gases de combustión.
En primer lugar se calcula el poder calorífico superior utilizando la ecuación 3.3, con este valor y la
humedad contenida en los gases de combustión se obtiene el valor del poder calorífico inferior
utilizando la ecuación 3.4. Tal como se muestra en la tabla 3.12:
Tabla 3.12 Poder Calorífico.
Poder Calorífico Btu/lb
QH
6952.70
QL
6458.14
2.1.4
MJ/kg
16.175
15.024
Cantidad de madera necesaria y flujo másico de la madera por hora.
Para el cálculo de la leña a utilizar para producir los gases de combustión que calientan la
recámara secundaria se utiliza la siguiente ecuación:
Q = m * P *η
(Ec. 3.5)
Donde:
“m” es la masa de la leña utilizada para producir los gases de combustión, kg.
“P” es el poder calorífico o el poder calorífico inferior QL, MJ/Kg.
“ ” es la eficiencia del sistema del horno.
De la ecuación 3.5 se despeja m, quedando la ecuación a utilizar:
m=
Q
P *η
(Ec. 3.6)
Con los datos obtenidos en la tabla 3.4 para la energía de carbonización, el poder calorífico inferior
en la tabla 3.12 y la eficiencia del sistema, se calcula la cantidad de leña utilizada para producir los
gases de combustión:
Tabla 3.13 Masa de leña.
Eficiencia
80%
Masa de leña
m (kg)
90.53
22
Los resultados para el análisis de combustión y para la cantidad de leña utilizada para producir los
gases de combustión se presentan en las siguientes tablas:
Tabla 3.14 Resultados del Análisis de Combustión.
Oxigeno necesario para la combustión
Aire necesario para combustión completa
Cantidades de gases
1.239
5.365
6.427
1282.90
lbO2/lbcomb
lbaire/lbcomb
lbgases/lbcomb
lbgases
Tabla 3.15 Resultados para la madera.
Energía requerida para carbonizar la madera
Cantidad de madera necesaria utilizada
Cantidad de masa utilizada por hora
1,088.14
90.53
199.62
99.81
MJ
kg
lb
lb/hr
Tomando nuevamente los valores del análisis último para la madera “Haya” pero analizándola para
distintos valores de porcentaje de humedad en la madera, se tiene los siguientes resultados:
Tabla 3.16 Madera necesaria para distintos valores de humedad.
Humedad
0%
5%
10%
15%
20%
25%
lbO2/lbcomb
1.458
1.385
1.312
1.239
1.166
1.094
lbaire/lbcomb
6.312
5.996
5.681
5.365
5.049
4.734
lbgases/lbcomb
7.384
7.065
6.746
6.427
6.107
5.788
23
Masa
kg
lb
76.952
169.680
81.002
178.610
85.503
188.533
90.532
199.623
96.190
212.100
102.603 226.240
Masa por hora
kg/hr
lb/hr
38.476
84.840
40.501
89.305
42.751
94.267
45.266
99.812
48.095 106.050
51.302 113.120
Se presentan los resultados obtenidos en la tabla 3.16 de forma gráfica
lbO2/lbComb
1.600
1.400
1.200
1.000
0.800
0.600
0.400
0.200
0.000
lbO2/lbComb
0%
5%
10%
15%
20%
25%
1.458
1.385
1.312
1.239
1.166
1.094
Humedad
Figura 3.1 Relación humedad contra lbO2/lbComb.
En la figura 3.1 puede observarse que a medida aumenta la humedad en la leña, que se utiliza
para calentar el horno, disminuye la cantidad de oxígeno necesario para la combustión.
lbAire/lbComb
7.000
6.000
5.000
4.000
3.000
2.000
1.000
0.000
lbAire/lbComb
0%
5%
10%
15%
20%
25%
6.312
5.996
5.681
5.365
5.049
4.734
Humedad
Figura 3.2 Relación humedad contra lbAire/lbComb
En la figura 3.2 puede observarse que a medida aumenta la humedad en la leña, que se utiliza
para calentar el horno, disminuye la cantidad de aire necesario para la combustión.
24
lbGases/lbComb
8.000
7.000
6.000
5.000
4.000
3.000
2.000
1.000
0.000
lbGases/lbComb
0%
5%
10%
15%
20%
25%
7.384
7.065
6.746
6.427
6.107
5.788
Humedad
Figura 3.3 Relación humedad contra lbGases/lbComb.
En la figura 3.3 puede observarse que a medida aumenta la humedad en la leña, que se utiliza
para calentar el horno, la producción de gases de combustión disminuye.
lb Madera
250.00
200.00
150.00
100.00
50.00
0.00
lb Madera
0%
5%
10%
15%
20%
25%
169.68
178.61
188.53
199.62
212.10
226.24
Humedad
Figura 3.4 Relación humedad contra lb Madera.
En la figura 3.4 puede observarse que la cantidad de madera, utilizada para calentar el horno,
aumenta a medida el contenido de humedad en esta es mayor. Esto se debe a que se necesitará
mayor energía calorífica para evaporar el agua contenida en la madera. Con lo que recurre en un
mayor consumo de madera para la fabricación de carbón vegetal.
25
lbMadera/hr
120.00
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00
lbMadera/hr
0%
5%
10%
15%
20%
25%
84.84
89.31
94.27
99.81
106.05
113.12
Humedad
Figura 3.5 Relación humedad contra lb Madera por hora.
En la figura 3.5 se aprecia que el consumo de leña por hora se incrementa al contener la leña
mayor cantidad de humedad en ella.
2.2 Cálculo para la densidad de los gases y el flujo másico de estos.
2.2.1
Densidad de los gases de combustión.
El cálculo de la densidad se hará uso de la ecuación de los gases ideales, con las constantes R
para cada uno de los gases y a la presión parcial. En primer lugar se calculará la fracción de cada
producto de los gases de combustión como fracción dentro de los gases de combustión, utilizando
la siguiente ecuación:
Fgas =
Gas
∑ Gases
(Ec. 3.7)
Donde:
“Gas” es la cantidad de lbgas/lbcomb de cada uno de los componentes de los gases de combustión.
“∑Gases” es la suma de las lbgas/lbcomb de los gases de combustión de la madera.
26
Tabla 3.17 lbgases/lbcomb para distintos valores de humedad.
Humedad
0%
5%
10%
15%
20%
25%
CO2
1.892
1.797
1.703
1.608
1.514
1.419
Vapor de agua
0.642
0.659
0.677
0.695
0.713
0.731
SO2
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
N2
4.851
4.608
4.366
4.123
3.881
3.638
Total
7.384
7.065
6.746
6.427
6.107
5.788
La fracción de los gases para diferentes porcentajes de humedad contenida en la madera se
muestra en la tabla 3.18:
Tabla 3.18 Fracciones de gases.
Humedad
0%
5%
10%
15%
20%
25%
CO2
25.62%
25.44%
25.24%
25.03%
24.78%
24.52%
Vapor de agua
8.69%
9.33%
10.04%
10.82%
11.68%
12.63%
SO2
0.00%
0.00%
0.00%
0.00%
0.00%
0.00%
N2
65.69%
65.22%
64.72%
64.16%
63.54%
62.85%
Total
100.00%
100.00%
100.00%
100.00%
100.00%
100.00%
Con las fracciones de los gases de combustión se calculará la presión parcial de cada uno de los
gases de combustión con la ayuda de la siguiente ecuación:
Pp = Pabs * Fgas
(Ec. 3.8)
Donde:
“Fgas” es la fracción del gas producto en los gases de combustión.
“Pabs” es la adición de la presión atmosférica y la presión manométrica, para el caso la presión
manométrica es igual a cero, lo que la presión absoluta es igual a la presión atmosférica.
La presión parcial para cada gas de los productos de la combustión se muestran en la tabla 3.19:
Tabla 3.19 Presión parcial de los gases de combustión, Pa.
Humedad
0%
5%
10%
15%
20%
25%
CO2
25962.835
25779.094
25577.963
25356.851
25112.626
24841.463
Vapor de agua
8802.660
9457.450
10174.210
10962.173
11832.505
12798.832
27
SO2
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
N2
66559.505
66088.456
65572.827
65005.976
64379.869
63684.705
La ecuación de los gases ideales ayudará a calcular la densidad de los gases, dicha ecuación es la
siguiente:
Pp
= R *T
ρ
(Ec. 3.9)
Donde:
“Pp” es la presión parcial del gas, Pa.
“ρ” es la densidad del gas a la presión parcial, kg/m³.
“R” es la constante R del gas, J/kg*K.
“T” es la temperatura de los gases de combustión, °C.
Despejado ρ:
ρ=
Pp
(Ec. 3.10)
R *T
En la tabla 3.20 se muestran los valores de R para cada uno de los gases productos de la
combustión:
Tabla 3.20 Constante R de los gases, J / kg*K
CO2
188.90
Vapor de Agua
461.50
SO2
130.00
N2
296.80
Aire
286.90
Para el cálculo de las densidades del aire y de los gases de combustión se utilizarán las
temperaturas, respectivas, mostradas en la tabla 3.21:
Tabla 3.21 Temperaturas, °C
Ambiente
26
Interior del horno
400
Densidad el aire a temperatura ambiente:
3
Tabla 3.22 Densidad Aire, kg/m
1.1812
28
Aplicando la ecuación de los gases ideales, ec. 3.10, se tienen los siguientes resultados:
3
Tabla 3.23 Densidad de los gases a la presión parcial, kg/m
Humedad
0%
5%
10%
15%
20%
25%
CO2
0.1901
0.1888
0.1873
0.1857
0.1839
0.1819
Vapor de agua
0.0264
0.0283
0.0305
0.0329
0.0355
0.0384
SO2
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
N2
0.3102
0.3080
0.3056
0.3029
0.3000
0.2968
Para la densidad de los gases de combustión se utiliza la siguiente ecuación:
ρ gas comb = ∑(ρ * Fgas )
(Ec. 3.11)
Donde:
“ρgas_comb” es la densidad de los gases de combustión, kg/m³.
“ρ” es la densidad del gas a la presión parcial, kg/m³.
Fgas es la fracción del gas en los gases de combustión.
Aplicando la ecuación 3.11 se obtienen los siguientes valores presentados en la tabla 3.24:
Tabla 3.24 Densidad de los gases de combustión, kg/m
Humedad
0%
5%
10%
15%
20%
25%
CO2
0.0487
0.0480
0.0473
0.0465
0.0456
0.0446
Vapor de agua
0.0023
0.0026
0.0031
0.0036
0.0041
0.0048
29
SO2
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
3
N2
0.2038
0.2009
0.1978
0.1944
0.1906
0.1865
Total
0.2548
0.2515
0.2481
0.2444
0.2403
0.2360
2.2.2
Flujo másico de los gases de combustión.
Para el flujo de los gases de combustión se utiliza la siguiente ecuación:
•
Q gas comb =
m
(Ec. 3.12)
∑ ρ gas comb
Donde:
“Qgas comb” es el flujo de los gases de combustión, m³/s.
“ ” es el flujo másico de los gases de combustión, kg/s.
“∑ρgas comb” es la densidad total de los gases de combustión, kg/m³.
El valor del flujo másico de los gases de combustión se encuentran en la tabla 3.16. Aplicando la
ecuación 3.12 se obtiene los siguientes valores mostrados en la tabla 3.25:
3
Tabla 3.25 Flujo de los gases de combustión , m /s
Humedad
lbgases/lbcomb
lbcomb/hr
lbgases/hr
0%
5%
10%
15%
20%
25%
7.384
7.065
6.746
6.427
6.107
5.788
84.840
89.305
94.267
99.812
106.050
113.120
626.479
630.944
635.905
641.451
647.689
654.759
kg/hr
284.117
286.142
288.392
290.907
293.736
296.943
ρgas comb
kg/m3
0.2548
0.2515
0.2481
0.2444
0.2403
0.2360
Flujo de Gases
m3/hr
m3/s
1115.263 0.3098
1137.533 0.3160
1162.433 0.3229
1190.445 0.3307
1222.176 0.3395
1258.395 0.3496
2.3 Cálculo para las dimensiones de la chimenea.
2.3.1
El Tiro adecuado para la chimenea.
El cálculo del tiro de la chimenea se utilizará la siguiente ecuación:
t=
H ⎛⎜ 1
1
*
−
⎜
5.2 ⎝ ρ aire ρ gas comb
Donde:
“t” es el tiro de la chimenea, plg. agua.
“H” es la altura de la chimenea, pies.
“ρaire” es la densidad del aire a temperatura ambiente, lb/pie3.
“ρgas_com” densidad de los gases de combustión, lb/pie3.
30
⎞
⎟
⎟
⎠
(Ec. 3.13)
Para el cálculo del tiro se hará para 5 valores de altura determinados:
Tabla 3.26 Tiro, mm. c.a
Humedad
0%
5%
10%
15%
20%
25%
1.0
0.92
0.93
0.93
0.94
0.94
0.94
1.5
1.39
1.39
1.40
1.40
1.41
1.42
H (m)
2.0
1.85
1.86
1.86
1.87
1.88
1.89
2.5
2.31
2.32
2.33
2.34
2.35
2.36
3.0
2.77
2.78
2.79
2.81
2.82
2.83
Los valores presentados en la tabla 3.26, para el tiro de la chimenea varían notablemente a medida
se incrementa la altura de la chimenea y la humedad contenida en la madera.
2.3.2
Velocidad de los gases de combustión.
En cálculo de la velocidad de los gases de combustión se hará uso de la siguiente ecuación:
t = K * (ρ aire − ρ gas comb ) − 0.254 * ρ gas comb *
V5
Q
(Ec. 3.14)
Donde:
“t” es el tiro del efecto de la chimenea, mm.ca.
“K” es el factor de 80.1 para chimeneas de acero.
“ρaire” es la densidad del aire a temperatura ambiente, kg/m³
“ρgas comb” es la densidad de los gases de combustión, kg/m³.
“V” es la velocidad de los gases de combustión en la chimenea, m/s.
“Q” es el flujo de los gases de combustión, m³/s .
Despejando V:
⎛ K * (d aire − d gas comb ) − h ⎞
⎟
V = 5 Q *⎜
⎜
⎟
0
.
254
*
d
gas comb
⎝
⎠
31
2
(Ec. 3.15)
Conservando los cinco valores de altura la velocidad para cada una de las humedades respectivas
se muestran en la tabla 3.27:
Tabla 3.27 Velocidad, m/s
Humedad
0%
5%
10%
15%
20%
25%
1.0
3.229
3.233
3.259
3.287
3.318
3.352
1.5
3.218
3.209
3.223
3.238
3.255
3.274
H (m)
2.0
3.204
3.196
3.210
3.224
3.241
3.259
2.5
3.185
3.182
3.196
3.210
3.227
3.245
3.0
3.161
3.169
3.182
3.196
3.212
3.230
Como puede apreciarse en la tabla 3.27, los valores de la velocidad para las diferentes humedades
contenida en la madera y las diferentes alturas de la chimenea son relativamente similares.
2.3.3
El Diámetro adecuado de la chimenea.
El cálculo del diámetro de la chimenea se hace a través de la siguiente formula:
D=
4 Q
*
π V
(Ec. 3.16)
Donde:
“D” es el diámetro de la chimenea, m.
“Q” es el flujo de los gases de combustión, m³/s.
“V” es la velocidad de los gases de combustión en la chimenea, m/s.
Para los mismos cinco valores de altura, las velocidades para los distintos porcentajes de humedad
se muestran en la tabla 3.28:
Tabla 3.28 Diámetro, m
Humedad
0%
5%
10%
15%
20%
25%
1.0
0.350
0.353
0.355
0.358
0.361
0.364
1.5
0.350
0.354
0.357
0.361
0.364
0.369
H (m)
2.0
0.351
0.355
0.358
0.361
0.365
0.370
2.5
0.352
0.356
0.359
0.362
0.366
0.370
3.0
0.353
0.356
0.359
0.363
0.367
0.371
Los valores del diámetro presentados en la tabla 3.28 presentan poca variación por lo que podría
estipularse dentro de un rango válido para dicho diámetro.
32
3. PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO.
Los parámetros a registrar durante la carbonización de la leña son la temperatura y la presión.
•
Para la temperatura se tomarán cuatro puntos de referencia con termómetros.
Dos del los primeros termómetros indicarán la temperatura al interior de la recámara secundaria,
donde se encuentra la leña a carbonizar; uno de ellos estará ubicado en la parte inferior trasera de
la recámara secundaria y el otro en la parte superior delantera de la misma. Con esto se logrará
registrar como varía la temperatura de los gases productos de la pirólisis. Los termómetros
restantes registrarán la temperatura del flujo de los gases calientes productos de la combustión de
la leña utilizada para calentar la recámara secundaria. El primero de ellos estará ubicado en la
parte inferior trasera de la bóveda principal, a la salida de los tubos de conducción de los gases de
combustión y el segundo en la parte superior delantera de la misma, en las cercanías de la entrada
a la chimenea.
•
Para la presión se tomarán dos puntos de referencia con manómetros.
Al igual que los primeros termómetros, respecto a la posición, así se ubicarán también los
manómetros. Estos medirán la presión ejercida por los gases de la madera productos del proceso
de la pirólisis al interior de la recámara secundaria.
Con estos parámetros registrados podrán tabularse para analizar el comportamiento de los gases
de combustión y de los gases productos de la pirólisis.
4. HERMETICIDAD.
La hermeticidad es un factor primordial para que el proceso de pirólisis pueda llevarse acabo
satisfactoriamente. Esta debe cumplirse tanto para la recámara secundaria y para la recámara
primaria.
•
Hermeticidad en la recámara secundaria.
Para asegurarse una buena hermeticidad en la recámara secundaria, se dividirá de la siguiente
manera:
33
1. Soldadura de las paredes que conforman la recámara secundaria:
Los cordones de soldadura para realizar la recámara secundaria no deben permitirse entre sí
espacio alguno, esto para evitar que el aire entre desde el exterior entre al interior de la
recámara secundaria.
2. Salida de los gases productos de la pirólisis:
La salida de los gases productos de la pirólisis es un ducto cuadrado, ubicado en la parte
superior delantera de la recámara secundaria, que va desde el interior de la bóveda hasta el
medio ambiente. Al igual que las soldaduras de las paredes debe asegurarse que no haya
espacio entre cordones de soldadura.
3. Salida de los ácidos piroleñosos:
La salida de los ácidos piroleñosos es un tubo, ubicado en la parte inferior delantera de la
recámara secundaria, que va desde el interior de la bóveda hasta el medio ambiente. Aquí
también debe asegurar se que no exista espacio alguno en los cordones de soldadura.
4. Orificios para la lectura de la temperatura y presión al interior de la recámara secundaria:
Estos orificios están formados por tubos de hierro que van desde el interior de la bóveda hasta
la pared externa del horno. De igual forma que las soldaduras anteriores no debe permitirse
espacio entre ellas y asegurar que al instalar los indicadores de presión y temperatura deben
quedar completamente sellados.
5. Acceso a la bóveda para la carga de la materia prima, madera:
Esta es la entra por la cual los operarios ingresan la madera al interior de la bóveda. Acá la
puerta es quien realiza el sello hermético por tanto debe asegurar que está realice un cierre
parejo en los cuatro lados de la misma.
34
•
Hermeticidad en la recámara primaria
Para asegurarse una buena hermeticidad en la recámara primaria, se dividirá de la siguiente
manera:
1. Soldadura de las paredes que conforman la recámara primaria.
Los cordones de soldadura para realizar la recámara primaria no deben permitirse entre sí
espacio alguno, esto para evitar que el aire entre desde el exterior entre al interior de la
recámara secundaria.
2. Salida de los gases de combustión.
La salida de los gases de combustión es la que conecta con la entrada de la chimenea. Esta
debe asegurarse que las soldaduras realizadas entre la salida de los gases y la pared de la
recámara primaria no deben existir espacios entre sí.
3. Puerta de la recámara primaria.
Esta es la primera puerta que el operario debe abrir para acceder a la recámara primaria Acá
debe asegurarse que esta cierre bien, para evitar fugas del gas caliente de la combustión al
medio ambiente.
4. Hogar para la quema de la leña.
Dentro del hogar se encuentran las entradas a los ductos de conducción de los gases de
combustión para el calentamiento de la recámara secundaria. Debe asegurarse que los ductos
formen un buen sello junto con la pared del hogar donde estos están instalados. Además la
compuerta para ingresar la leña a quemar junto con la compuerta para extraer las cenizas
deben realizar un buen sello.
35
5. MONITOREO DE LA TEMPERATURA Y PRESIÓN.
Para el monitoreo de la temperatura y la presión en la recámara secundaria se hará uso de la
siguiente hoja:
Hoja de monitoreo de Temperatura y Presión.
Nombre del operador:
Hoja No.
Madera:
Fecha:
Cantidad de: Madera a carbonizar:
Carbón obtenido:
Tiempo de carbonización:
kg
lb
kg
lb
Hora Inicio:
Recámara secundaria
Tiempo
Temperaturas
Presiones
No.
min
Termómetro Termómetro Manómetro Manómetro
Superior
Inferior
Superior
Inferior
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Observaciones:
Pantes
Hora Fin:
Recámara primaria
Temperaturas
Termómetro Termómetro
Superior
Inferior
Con los datos tabulados en la “Hoja de monitoreo de temperatura y presión” podrá llevarse un
mejor control de la operación del horno y de la cantidad de leña que será carbonizada.
36
6. FLUJO DE GASES.
El flujo de gases se divide en dos apartados, los gases producto de la combustión de la hornilla y
los gases producto de la pirolisis.
Gases de la combustión de la hornilla, para poderse llevar a cabo la transferencia de calor es
necesario garantizar que el flujo de estos gases sea uniforme, para ello existe un sistema de tubos
que guían el humo (gases) por debajo de la recamara interna hasta hacerlos llegar al otro extremo
del horno. Luego, estos gases rodean toda la recámara interna hasta encontrar una sección
transversal más grande y tienden a buscar una salida por diferencia de presión, que es provocada
por la torre de evacuación, hasta llegar al ambiente con una temperatura menor al final del
recorrido.
Figura 3.6 Recorrido de los gases de combustión.
6.1 Cámara de combustión.
La cámara de combustión es el lugar donde se producen los gases que calienta la recamara
secundaria, esta cámara es de lamina de acero por fuera
y
a su interior contiene ladrillo
refractario; cuenta con una parrilla, desmontable, en la que se pone la leña a quemar y un
quemador de gases de los productos de la pirólisis; una bandeja, removible, para recolectar las
cenizas de la leña al quemarse y un soporte de tubos desmontables, para acceso al
mantenimiento. Las dimensiones y capacidad originales de la cámara de combustión se conservan.
Figura 3.7 Cámara de combustión.
37
6.2 Tiro Natural.
Este fenómeno se da por diferencia de presión entre dos puntos de una torre o conducto de
evacuación de gases, las variables involucradas en este efecto son: El flujo de gases, las
densidades de los gases dentro del conducto y de los gases fuera del conducto, las temperaturas
de operación y ambiente.
Para el cálculo del tiro de la chimenea se busca un diámetro y una altura de la esta, que es
generado en una hoja de cálculo de Excel, en la cual se encontró el efecto del horno original, para
garantizar un buen funcionamiento se optó por escoger un tiro mayor que el original para evitar
fallos de cálculo por las pérdidas reales del sistema.
Figura 3.8 Diferencia de presiones en la chimenea.
Figura 3.9 Chimenea en conjunto con el horno.
38
7. MANEJO DE LOS PRODUCTOS DEL PROCESO DE LA PIRÓLISIS.
El horno original manejaba los productos de la siguiente manera:
•
Los sólidos eran capturados en cubetas y luego usados para sanar madera.
•
Los gaseosos eran usados para terminar de preparar el carbón y el exceso se quemaba en
hornillas especiales.
•
Los líquidos eran capturados en botellas.
Los residuos producidos por este horno son valiosos en nuestro medio, la importancia del manejo
responsable de estos residuos le da al horno un valor ecológico mayor, dentro de los residuos
tenemos: residuos sólidos, residuos líquidos y gases de combustión.
7.1 Residuos sólidos.
•
Alquitrán.
Sustancia de consistencia semisólida a temperatura ambiente.
Uso: en el campo es utilizado para sanar madera que será utilizada de armazón para hogares,
esta evita el ataque provocado por las termitas y alarga el tiempo de vida de ese material.
•
Cenizas.
Residuos de la leña de alimentación de la hornilla, es tipo polvo.
Uso: puede ser un agregado de fertilizante.
7.2 Residuos líquidos.
•
Líquidos (Bio-aceite combustible, Bio-oil).
La fracción condensable, líquida a temperatura ambiente, integrada por un conjunto
heterogéneo de aceites que contienen agentes químicos tales como ácido acético, acetona y
metanol. Estas sustancias pueden ser utilizadas como combustible, ya que su comportamiento
se asemeja al del alcohol.
7.3 Gases de combustión.
La corriente de gas que contienen básicamente hidrógeno, metano, monóxido de carbono, dióxido
de carbono y otros varios gases son altamente volátiles. Por ello son considerados gases
inflamables, productos gaseosos que despide la madera durante el proceso de pirólisis.
Uso: Sirve para alimentar al fuego de la hornilla, además de esto el sobrante se puede utilizar para
cocinar alimentos en paralelo o mientras se está produciendo el carbón. Además se limita mientras
39
el horno esta en operación, creando un sistema de distribución por medio de tuberías y válvulas
que regulen el suministro a la(s) cocina(as).
8. DISEÑO ESTRUCTURAL.
El diseño de la estructura esta basado en el modelo original, se modificó partes fundamentales en
lo correspondiente al esfuerzo al cual está sometido el horno a la hora de operar, la falta de apoyo
y la mala distribución de los existentes, es en parte uno de los factores determinantes, por ello se
buscó una configuración que favoreciera esos aspectos.
Figura 3.10 Estructura del horno.
8.1 Capacidad del Horno Metálico.
Para el nuevo diseño se redujo la capacidad del horno de 8 m3 a 5 m3, esto se hizo con la idea de
reducir el peso de la estructura y hacerla menos pesada. Con respecto al peso de la carga, dado
que el peso de los 8 m3 de leña fue un factor influyente en la falla del piso del horno, se deduce
que una menor carga provocará menor deformación en el piso y por consiguiente habrá un tiempo
de vida mayor para el horno.
40
8.2 Cambios estructurales.
8.2.1
Chasis Primario.
Con el fin de brindar mayor durabilidad y mayor soporte, se diseñó un chasis reforzado con
material de acero estructural tipo C que va unido con otro elemento igual para formar una viga
cuadrada.
Figura 3.11 Apoyo fijo del Chasis Primario.
La distribución también se mejora con la incorporación de apoyos fijos que sirven para distribuir el
peso total del horno cargado con la leña a carbonizar.
Figura 3.12 Chasis Primario.
41
8.2.2
Soportes de piso para la recámara interna.
Se creó un sistema de soporte de piso de recámara interna el cual ayuda a soportar el peso de
leña y también las deformaciones térmicas producidas a la hora de operar, estos soportes sirven
también de guías para los tubos de aire caliente.
Figura 3.13 Soporte de piso de la recámara interna.
8.2.3
Sistema de Puertas.
Para el acceso a las recamaras se mantendrá el sistema de puertas de acero hechas del mismo
material que las recamaras cambiándose el diseño de base de cuñas y movimiento por tecle, dado
que este sistema es muy rústico y poco controlado además de no brindar comodidad al operario.
Figura 3.15 Puerta interna para la recamara secundaria.
Figura 3.14 Puerta externa para la recamara primaria.
42
En el sistema de puertas se incorporan bisagras del tipo pesado de abertura, con guía que sirven
para proporcionar desplazamiento de la puerta, esto ayuda a brindar un soporte y manejo más
confiable, mayor seguridad para el operario. Además de contar con un sistema de doble sellado en
una sola puerta, ya que van unidas y se logra con esto un sello más uniforme y regulable.
Figura 3.16 Sistema de Puertas doble sellado.
Figura 3.17 Bisagra para el sistema de puertas.
43
8.2.4
Válvula de alivio.
El sistema original de alivio de los gases productos del proceso de pirólisis tenía mejoras
potenciales por hacer, una de ellas era evitar que el operario tuviese que tener contacto físico con
el contrapeso caliente después de ser expulsado por presión, ya que esta válvula debe de estar
cerrada a la hora de operación.
Figura 3.18 Válvula de alivio.
Para evitar esto, se diseñó un sistema de cadenas que limitan el movimiento de salida del
contrapeso que lo guían a su posición de reposo, cerrando la salida de los gases, después de
haber sido expulsado. Además, se colocó una pantalla de protección que evita que los residuos
calientes expulsados por la liberación de presión de los gases caigan de manera impredecible
sobre los operarios o personas presentes, ya que la brea caliente puede ocasionar molestias o
incluso quemadas peligrosas en partes muy sensibles como los ojos y la cara.
Figura 3.19 Válvula de alivio con pantalla de protección.
Este diseño es sencillo, pero funcional, para corregir el problema antes planteado, con respecto al
diseño original se respeto la masa del contrapeso lo cual no variará la presión a la que era antes
expulsada la bala, pero se mejoró su diseño con respecto a la agudeza de la punta de la bala, con
el fin de facilitar el acople en la base de tubo de la válvula cuando se libera la presión y actué la
fuerza de la gravedad.
44
8.2.5
•
Hornilla.
Parrilla para la leña a quemar.
Para mejorar la alimentación de los gases de combustión a los ductos, el nivel de la parrilla donde
descansa la leña se bajó, evitando también que los gases reboten en la parte interna superior de la
hornilla. Además se incorporó una compuerta general a la hornilla que permite un mantenimiento
más fácil tanto para la parrilla así como la bandeja de cenizas, este cambio también facilita la
reposición en caso de falla de los tubos transportadores de aire caliente o los gases de
combustión.
Figura 3.20 Hornilla y tubos conductores de gases.
•
Bandeja recolectora de cenizas.
Este cambio tiene gran importancia con respecto a la durabilidad de la hornilla. Es una bandeja
hecha de lámina, que puede ser fácilmente reemplazable; la ceniza ya no cae sobre la lámina
estructural del horno y es más fácil retirarla cuando sea necesario.
Figura 3.21 Bandeja recolectora de cenizas.
45
8.2.6
Chimenea o Torre de evacuación de gases de combustión.
Para este elemento se diseñó una torre capaz de evacuar el flujo de gases de combustión,
provenientes de la hornilla, y que además proporcione un tiro aceptable en el rango de tiros
naturales comunes. Se incorporó un protector en la salida de la chimenea conocido comúnmente
como “gorro chino”, su función es evitar la entrada del agua en épocas de invierno y cualquier otro
objeto. Esta modificación se realizó debido a que en el modelo original no contaba con ello.
Figura 3.22 Chimenea del horno.
Se propone también una torre hecha de tubo estructura, esto con el fin de brindar mayor
durabilidad, porque este elemento fue uno de los que primero colapsó en el modelo original,
debido a la sencillez del material original.
El diámetro y la altura de la torre surgen de cálculos previos a partir del flujo de gases productos
de la hornilla de quemado, estas dimensiones fueron elegidas de acuerdo a los parámetros de tiro
natural para aplicaciones pequeñas, donde el flujo es moderado con baja velocidad.
Figura 3.23 En la chimenea se muestra como se sujeta el gorro chino.
Esta torre está diseñada para resistir el trabajo duro al que será sometida bajo operación, su
diseño es más robusto, con protecciones para la intemperie y además de contar siempre con el
Damper regulador del flujo de los gases de combustión.
46
8.2.7
Medidores de operación.
Con el fin de monitorear y tener mayor control del estado del horno, se ha incorporado medidores
de presión al horno además se han colocado en lugares estratégicos del horno, los controles
nuevos monitorean únicamente la presión de la recamara interna, pero los medidores de
temperatura van para ambas recamaras.
Figura 3.24 Medidores de Temperatura y Presión Superiores.
Este cambio obedece a la necesidad de tener más
control en la operación, ya que las
temperaturas altas son las que ocasionan daños irreparables en el horno, además también de
dañar la calidad del producto (leña), ya que se sobrepasa los rangos de pirolisis recomendados.
Figura 3.25 Medidores de Temperatura y Presión Inferiores.
47
8.2.8
•
Quemadores de los gases productos de la pirólisis.
Quemador Primario.
Los cambios propuestos a este elemento del sistema consisten en modificar la base colectora de
alquitranes, debido a que la original presentaba deficiencia en la evacuación de este producto,
Para evitar esto se creo una base con gran desnivel y además un tubo de desagüe más ancho que
el original, dado que el original se obstruía fácilmente por tener un diámetro pequeño y poco
desnivel.
Figura 3.26 Quemador Primario.
El otro cambio consiste en modificar el ondeo del quemador, el cual se ensucia rápidamente y es
de difícil acceso para su limpieza debido a su forma geométrica, por ello se le hizo un agujero con
cierre el cual permite sacar todos los restos a través del mismo
Figura 3.27 Quemador Primario.
48
9. CARGA Y DESCARGA DEL CARBÓN VEGETAL.
Para la descarga del carbón se ideo un sistema diferente, los cambios incluyen modificaciones en
la puerta y en la estructura del marco de la puerta. En el modelo original, no existía una tarima de
carga a pesar que el nivel de la puerta para cargar la leña a carbonizar al interior del horno está a
un metro, aproximadamente, sobre el nivel del suelo, lo que obligaba al operador a construir una
tarima. El sistema era muy rústico y exigía más de un operario pare cerrar y abrir las puertas del
horno a pesar de la ayuda del tecle que este tiene.
9.1 Sistema de carga de leña.
Para cargar la leña se incorporó una tarima hecha de tubo estructural con lámina, la cual brinda
mayor comodidad al operario, el modelo original no brindaba una estructura para la carga de leña
lo cual obligaba al dueño a invertir en una plataforma poco segura y de fabricación artesanal.
Figura 3.28 Chasis Primario con tarima de carga.
49
10. COSTO DE LA FABRICACIÓN DEL HORNO.
Detalle de los materiales necesarios para fabricar el horno:
Material
Polin C estructural
ladrillo refractario
Metro de Tubo rolado 4plg
Tubo rolado 14plg
Cantidad
16
48
21.49
27.34
Precio unitario
$
73.21
$
2.36
$
8.00
$
6.00
$
$
$
$
Precio total
1,171.36
113.28
171.92
164.04
Metro de Lamina Galvaniza zincalum
16
$
24.79
$
396.64
Perno autoroscante
230
$
0.78
$
179.40
Metro de lamina de 1/4 plg canalada
68
$
102.26
$
6,953.68
Libra de electrodo Inox 1/8
Libra de electrodo OK 3/32
Lamina de acero 2X1 X 1/8
160
80
3
$
$
$
13.55
1.58
108.00
$
$
$
2,168.00
126.40
324.00
Fibra plancha 2.5m X 1.5m X 1plg
5
$
38.90
$
194.50
Metro de Roladodo de tubo de 20plg
2
$
54.17
$
108.34
Valvula de bola tipo pesada
2
$
45.33
$
90.66
Tubo estructural redondo de 3plg
5
$
194.57
$
972.85
4
2
3
1
0.5
1
1
2
$
$
$
$
$
$
$
$
21.14
24.68
23.01
20.18
57.32
56.84
16.47
224.02
$
$
$
$
$
$
$
$
84.56
49.36
69.03
20.18
28.66
56.84
16.47
448.04
2
$
26.34
$
52.68
3
$
24.13
2
$
12.35
10
$
1.16
Costo Total de materiales*
$
$
$
$
72.39
24.70
11.60
14,069.58
Termometro
Barometro
Lamina calibre 20
Varilla de 1/4
Platina de 1/2
lb de cemento
varilla lisa de 1/2 plg.
Platina de 3/8X 1/2
Angulo estructural 1 1/2X 1 1/2 X 1/4
Bisagras tipo pesado
Bisagras pesadas
Pernos galvanizados de 1/2
*Nota: El costo de la mano de obra dependerá del taller a donde se construya el horno. Y los
precios de los materiales son variables semanalmente.
50
11. JUSTIFICACIÓN DEL NUEVO DISEÑO DE HORNO.
11.1 Importancia del horno.
Esta herramienta para fabricar carbón vegetal representa una alternativa amigable con el medio
ambiente, reemplazando los métodos artesanales empleados históricamente en nuestro país,
rediseñar y mejorar este artefacto ayuda a la idea primordial de su fin,
que es conservar el
ecosistema y aprovechar inteligentemente el recurso disponible, sin dañar el medio ambiente.
a. Materia prima del producto.
Este horno es capaz de generar buen carbón a partir de residuos de podas, lo cual implica
tamaños de leña pequeños que generalmente son desechados en los métodos artesanales, esto
evita que sean cortados por completo árboles para producir carbón.
b. Operación en armonía con el ambiente.
Conservación de los suelos, este diseño evita el uso del suelo como horno, toda su operación se
da aislada del ambiente, sus residuos son manejados de manera segura y controlada, a diferencia
del método artesanal en el cual los residuos son absorbidos por el suelo y ello provoca el daño
irreparable del mismo, este suelo queda dañado y estéril para su uso agrícola.
c.
Producto de gran calidad.
El producto final del horno(carbón), es rico en carbono fijo, bajo en cenizas, y con un poder
calorífico grande , además de tener una humedad casi nula, esto lleva a convertir al carbón en un
producto competitivo a nivel nacional e internacional, esta calidad se logra gracias al proceso de
pirolisis controlado que se da en las recamaras.
Esta calidad no es posible conseguirla con el método artesanal, ya que este método carece de
control y poca uniformidad del proceso mismo, en cambio con el horno propuesto se puede llegar a
garantizar una calidad aceptablemente uniforme.
d. Eficiencia del horno y de su proceso.
Este aspecto del horno es uno de sus principales argumentos de batalla, esto gracias a que el
horno posee gran ventaja con respecto a otros métodos en los cuales la relación de carbón
producida por leña procesada es baja, con este método es alta dicha relación, lo que significa que
poca leña se desperdicia en el proceso, a diferencia del artesanal, el cual los desperdicios son
numerosos y son recocidos, quedando al final productos de muy mala calidad.
Además la alimentación de la hornilla es muy eficiente en el aspecto de tamaño y tipo de leña
usado, la única exigencia que tiene el horno es que la leña tanto de alimentación de hornilla así
como la de producto deben de contener bajo porcentaje de humedad.
51
Como el horno se alimenta también de los gases producidos en la pirolisis, él aprovecha con ello la
energía que es expulsada de la madera interna, esto evita la alimentación de madera a la hornilla
después de comenzado el proceso de pirolisis en el cual los gases son evacuados de la recamara
interna.
12. ESPECIFICACIONES Y PLANOS DE CONJUNTOS.
12.1
Especificaciones generales del horno, materiales y procesos principales:
12.1.1 Datos del horno:
¾
Capacidad: 5 metros cúbicos de leña
¾
Tiempo de operación estimado: 4 horas aproximadas
¾
Temperaturas de trabajo: (350 C a 400 C)
¾
Cantidad de operarios mínima: 2
¾
Peso aproximado del horno: 3700 Kg.
12.1.2 Materiales principales:
¾
Material del chasis primario: Polín tipo C estructural chapa 14.
¾
Material del chasis secundario: Tubo estructural de 3 plg, chapa 14.
¾
Material de las recamaras: Acero
¾
Material de las puertas y bisagras: Acero 1020
¾
Material de los tubos de aire caliente: tubo de acero de chapa 16
¾
Material de la parrilla de hornilla: Platina de acero
¾
Material de la lámina externa del horno: Lamina Zincalum chapa
¾
Tipo de soldadura y electrodo
de recamaras: Soldadura eléctrica con electrodo
inoxidable.
¾
Soldadura y electrodo
de chasis primario y secundario: soldadura eléctrica con
electrodo 6013.
¾
Planchas de aislante térmico: Fibra de vidrio en planchas sólidas de 1plg de espesor.
12.1.3 Condiciones óptimas de operación:
¾
Leña al 10 % máximo de humedad, tanto para la hornilla como para fabricar carbón.
¾
Temperatura óptima 400 C de recamara interna.
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12.2
Detalles de planos de conjunto del Horno
A continuación se muestran las imágenes del horno y sus subconjuntos.
12.2.1 Conjunto de horno completo.
Figura 3.29 Conjunto Completo del Horno Metálico junto con los quemadores.
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12.2.2 Chasis Primario.
Figura 3.30 Chasis Primario que soporta el peso del horno metálico.
12.2.3 Chasis Secundario.
Figura 3.31 Chasis Primario que soporta el peso del horno metálico.
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12.2.4 Puertas de Acceso.
Figura 3.32 Puertas de acceso al horno metálico.
12.2.5 Lamina Protectora de intemperie.
Figura 3.33 Laminas protectora del chasis primario.
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12.2.6 Recamara Externa.
Figura 3.34 Recama externa en la que circulan los gases de combustión al interior.
12.2.7 Recamara Interna.
Figura 3.35 Recama interna donde la leña es carbonizada.
56
12.2.8 Hornilla y Tubos Conductores de Gases.
Figura 3.36 Hornilla donde es quemada la leña para guiar los gases de combustión por los tubos metálicos.
12.2.9 Chinea del Horno.
Figura 3.37 Chimenea del horno donde son evacuados los gases de combustión.
57
12.2.10 Quemador Primario de Gases y Recolector de Alquitrán.
Figura 3.38 Quemador primario donde son incinerados parte de los gases productos de la pirólisis.
12.2.11 Quemador Secundario de Gases.
Figura 3.39 Quemador primario donde son incinerados los gases restantes productos de la pirólisis.
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13. MODO DE OPERACIÓN BÁSICO.
A continuación se muestra una lista de los puntos básicos para operar el horno tipo retorta:
1. Secar la leña tanto del quemador como la que será convertida en carbón.
2. Cargar el horno con la leña para carbonizar, dejando espacio entre los trozos para que circulen
los gases producto de la pirolisis.
3. Cerrar la puerta del horno y verificar que cierre bien, no se debe de abrir nunca esta puerta
mientras el horno esté en operación.
4. Cerrar el Damper de la torre, las válvulas y verificar que la válvula de alivio en su posición de
sellado.
5. Verificar que los manómetros y termómetros estén a condiciones ambiente, de lo contrario
podrían estar dañados, por lo que habría que reemplazarlos antes de usar el horno.
6. Quemar la leña en la hornilla para producir los gases de combustión que calentarán el horno.
7. Controlar las presiones y temperaturas cada 20 minutos si es posible o según estime el
operador.
8. A una temperatura de 250º C aproximadamente abrir el Damper al 50%.
9. Después de que deja de salir humo de la torre, comienza el proceso de pirólisis, si después de
esto es expulsada la válvula de alivio, se debe empezar a inyectar gas producto de la pirólisis a
la hornilla, dejándose de alimentar con madera y
el gas excedente es quemado en los
quemadores.
10. Revisar que la temperatura no sobrepase los 400 °C; si pasa de 370 °C y sigue avanzando la
temperatura la válvula de los gases se debe cerrar junto con la puerta de la hornilla. Además
abrir por completo el Damper hasta que la temperatura se estabilice. se debe alimentar
lentamente la hornilla con leña seca.
11. Una vez quemado todo los gases inflamables se debe dejar enfriar el horno hasta la
temperatura ambiente, de lo contrario podría dañarse el carbón e incluso auto encenderse.
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12. De preferencia el carbón debe ser empacado inmediatamente después de ser sacado del
horno, a temperatura ambiente en empaques herméticos para evitar que adquiera humedad, la
cual disminuye su calidad.
14. MANTENIMIENTO PREVENTIVO.
A continuación se muestran pasos sencillos para un mantenimiento preventivo al horno:
1. Limpiar la hornilla siempre después de cada cocida de leña.
2. Limpiar las cubetas de alquitrán mientras este líquido.
3. No dejar que la temperatura sobrepase los 400 ºC .
4. Chequear los medidores de temperatura y presión.
5. Limpiar los quemadores de gas.
6. Botar la ceniza de la hornilla de quemado.
Advertencia: Nunca meta madera húmeda, sea fresca o mojada al horno.
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CONCLUSIONES
Con el diseño del horno tipo retorta el proceso para fabricar carbón vegetal se facilita y se hace
más eficiente, lo cual da paso a que la materia prima, la madera, utilizada para fabricar tal producto
se aproveche más, haciendo de este proceso más productivo.
El horno tipo retorta da un aporte elevado a la conservación del medio ambiente, ya que para
elaborar el carbón vegetal deja exento a la superficie terrestre como sumidero para los productos
obtenidos por el proceso de carbonización. Además de estos productos se tienen un mayor control
para su recolección y uso.
Al mejorar el proceso de elaboración de carbón vegetal, el horno tipo retorta produce un carbón de
mejor calidad que la obtenida con los métodos artesanales, haciendo de este producto obtenido
más atractivo en el mercado exterior.
En nuestro país la producción de carbón vegetal se muy limitada por la lluvias, por lo que con el
diseño del horno tipo retorta la producción de carbón podrá realizarse durante todo el año,
mintiendo de manera uniforme la elaboración de tal producto.
El horno tipo retorta requiere de poco personal para su operación al igual que la experiencia para
elaborar carbón vegetal. Además por su fácil construcción y materiales accesibles, el horno puede
ser elaborado por un taller de metal-mecánica en nuestro país.
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REFERENCIAS
CENGICAÑA,
www.cengicana.org/Portal/SubOtrasAreas/Cogeneracion/Presentaciones/PirolisisBiomasa.pdf,
Abril 2008
Acá se describe de manera generalizada el proceso de la pirólisis y la aplicación de los productos
obtenidos por él.
Oviedo, http://www.oviedo.es/personales/carbon/curiosidades/carbon%20vegetal.htm, Marzo 2008
En esta dirección electrónica se describe el proceso de carbonización y el uso del carbón vegetal.
FAO - Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación,
www.fao.org/docrep/x5595s/X5595S00.htm#Contents, Mayo 2008.
En esta dirección se describen las diferentes maneras para elaborar el carbón vegetal.
WOODGAS, www.woodgas.com/proximat.htm, Junio 2008.
Se encuentran los valores del análisis último para algunos tipos de madera.
The Engineering ToolBox, http://www.engineeringtoolbox.com/individual-universal-gas-constantd_588.html, Junio 2008.
Esta página Web se encuentra los valores de la constante individual de los gases.
Daniel O´connor Dallas Texas, http://64.176.180.203/charcoalretort.htm, Agosto 2008.
Describe de manera generalizada los procesos de fabricar carbón vegetal y el método de retorta.
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BIBLIOGRAFÍAS
Frederick T. Morse M. [1984] Teoría y práctica de las plantas generadoras eléctricas estacionarias.
Centrales Eléctricas, 705-710.
The Babcock & Wilcox Company, N. Y. [1960] Steam its generation and use, 4-1, 4-8, 5-4, 5-6.
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