identificación de equipos de quema y/o de inyección de combustible

IDENTIFICACIÓN DE EQUIPOS DE QUEMA Y/O DE INYECCIÓN DE
COMBUSTIBLE PARA LA INDUSTRIA LADRILLERA
CONSULTOR:
CAIA INGENIERÍA LTDA.
Calle 64A No. 52-53 Torre 3 – 804 Bogotá, Colombia
Teléfono: 300 2162406
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Enero de 2013
Tabla de Contenido
1
2
ASPECTOS A CONSIDERAR EN LA SELECCIÓN DE EQUIPOS ...................................................... 3
1.1
Consumo de combustible ............................................................................................... 3
1.2
Alimentación de aire ....................................................................................................... 3
1.3
Sistema de Alimentación de combustible........................................................................ 4
1.4
Distribución del combustible .......................................................................................... 4
INVENTARIO DE EQUIPOS PARA EL PROCESO DE COMBUSTIÓN .............................................. 5
2.1
Eductor – Equipo de combustión limpia .......................................................................... 5
2.1.1
2.2
Quemador de combustibles sólidos ................................................................................ 6
2.2.1
2.3
Principio de funcionamiento ................................................................................... 9
Stocker ......................................................................................................................... 10
2.4.1
2.5
Principio de Funcionamiento................................................................................... 7
Dosificador de combustible ............................................................................................ 8
2.3.1
2.4
Principio de Funcionamiento................................................................................... 6
Principio de Funcionamiento................................................................................. 11
Equipo Mixto de Combustión – Proyecto en prueba ..................................................... 11
2.5.1
Principio de Funcionamiento................................................................................. 12
2.6
Análisis Comparativo de los Equipos Identificados ........................................................ 12
2.7
Conclusiones ................................................................................................................ 13
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IDENTIFICACIÓN DE EQUIPOS DE QUEMA Y/O DE
INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE PARA LA INDUSTRIA
LADRILLERA
El presente informe tiene como finalidad dar a conocer el inventario de los equipos
disponibles para optimizar el proceso de combustión en la industria ladrillera,
específicamente en las plantas ubicadas en al Municipio de Nemocón, de acuerdo con las
características de tamaño y tipo de producto particulares para la zona.
1 ASPECTOS A CONSIDERAR EN LA SELECCIÓN DE EQUIPOS
Las principales variables que deben ser conocidas y controladas para el análisis de las
soluciones tecnológicas que se presentan en este informe, son:
1.1 Consumo de combustible
En cualquier proceso de combustión deben existir tres componentes fundamentales:
oxígeno, combustible y material comburente. Sin embargo, para el caso de procesos
productivos y especialmente para la fabricación de ladrillos y productos derivados de la
arcilla, refractarios y no refractarios, es necesario realizar un análisis estequiométrico que
permita identificar la cantidad necesaria de combustible, en este caso, carbón y de
oxígeno que se requiere para el procesamiento de una cantidad determinada de producto,
haciéndolo lo más eficiente posible.
La determinación y análisis de la cantidad realmente requerida de combustible, asociada
a una unidad de producción, le permitirá a cualquier empresa ahorrar costos innecesarios
asociados al consumo excesivo de combustible y además, resultará en una importante
reducción de los niveles de contaminantes atmosféricos asociados al uso y tipo de
combustible, tales como material particulado y óxidos de azufre.
1.2 Alimentación de aire
Uno de los principales factores que afecta el valor de las emisiones de los contaminantes
regulados actualmente por la normatividad vigente, es el porcentaje de oxígeno que se
mide en la chimenea, el cual depende directamente de la alimentación de aire en el
proceso de combustión. Es este sentido, es importante tener en cuenta que de acuerdo
con lo establecido en dicha reglamentación, para la evaluación del cumplimiento de los
niveles máximos permisibles aplicables al proceso de combustión para la fabricación de
productos de cerámica refractaria, no refractaria y de arcilla, se debe realizar la
correspondiente corrección por oxígeno de referencia que busca que los equipos de
combustión operen bajo las condiciones establecidas por el fabricante de los hornos de
cocción.
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1.3 Sistema de Alimentación de combustible
La alimentación de combustible y especialmente la manera como este se alimenta al
sistema o proceso de combustión, es una de las principales variables que incide en el
resultado de las emisiones. En este sentido, una alimentación continua de combustible
que obedezca a un análisis estequiométrico, asociado a la producción, va a permitir no
solamente utilizar el combustible estrictamente necesario, sino que va a permitir reducir
de una manera importante el resultado de las emisiones atmosféricas generadas.
Por otra parte, es necesario tener en cuenta que el sistema de alimentación de
combustible puede optimizar aun más el consumo de carbón, al estar acompañado de un
sistema que le permita identificar la necesidad de aumentar o disminuir su rata de
alimentación de acuerdo con las necesidades de producción de un momento determinado.
1.4 Distribución del combustible
En este sentido, es necesario precisar que cuando el carbón ingresa al horno sin ningún
tipo de control tanto en el tamaño del mismo como en su distribución en la cámara, se
está dificultando una combustión limpia, por cuanto se pueden generar espacios con
mayor cantidad de combustible y algunos con ausencia de este. Lo anterior, puede
ocasionar no sólo que se consuma más del combustible realmente necesario, sino que se
ponga en riesgo la calidad del producto que se está cociendo. Este es un aspecto que no
sólo depende de la manera como se alimente el combustible, sino de los dispositivos con
que cuente el horno de cocción para garantizar dicha distribución.
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2 INVENTARIO DE EQUIPOS PARA EL PROCESO DE
COMBUSTIÓN
A continuación se presenta un inventario de los equipos encontrados en el mercado para
mejorar el proceso de combustión en hornos ladrilleros. Es importante mencionar que los
datos que se presentan a continuación obedecen a la información suministrada por los
fabricantes de los equipos
2.1 Eductor – Equipo de combustión limpia
El Eductor es un equipo constituido por componentes fundidos, resistentes al desgaste
que se puede generar por el contacto constante y directo con el combustible (en este caso
carbón), el cual consta de los siguientes elementos (Ver ¡Error! No se encuentra el origen de
a referencia.):

Tolva de alimentación: En la cual se almacenan de manera temporal los granos de
carbón que han sido previamente triturados y llevados a un tamaño estandarizado
para facilitar su combustión.

Tornillo sin fin: Es un dispositivo que transporta el carbón que es alimentado a la
tolva. En este caso, el tornillo se encuentra ubicado en la parte inferior de la tolva de
alimentación, de donde recibe el carbón, previamente triturado y los lleva a la cámara
de educción.

Ventilador centrífugo de inyección de aire: Este ventilador tiene la función de tomar
aire ambiente e imprimirle una mayor presión de manera tal que el flujo que se genera,
arrastre el combustible. Es accionado por un motor que cuenta con una capacidad de
3,7 Kw (5 hp), los cuales permiten alcanzar hasta 3600 rpm en el ventilador. En este
caso el fabricante de los equipos manifestó que los datos de la relación
aire/combustible y el caudal del aire, hace parte del “Know How” y que dicha
información será transmitida en caso de realizar la compra del equipo, como parte del
proceso de capacitación en el manejo del equipo.

Cámara de educción: Es el encargado de realizar la mezcla de aire/combustible que
va a ingresar al proceso de cocción de productos en el horno. Esta cámara permite
lograr una mezcla uniforme de las partículas de carbón y del aire que está siendo
alimentado por el ventilador centrífugo. La alimentación que controla el Eductor, está
conectada a través de un controlador lógico programable – PLC – que permite
modificar la relación aire/combustible a la entrada para optimizar el proceso de
combustión.

Boquilla de inyección: Dispositivo encargado del transporte del aire y combustible en
la proporción suministrada por la cámara de educción, al horno de cocción de
materiales.
El equipo incluye adicionalmente sensores y controladores de temperatura, variación
precisa de velocidad, alarma y sistema de contingencia contra atascamientos en la
alimentación de combustible, sistema de monitoreo y parametrización de curvas térmicas
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operadas por el PLC con pantalla táctil de visualización y control automático de curvas de
temperatura.
Fuente: Metalúrgica de Santander. 2012
Figura 1. Equipo Eductor
2.1.1 Principio de Funcionamiento
El carbón, previamente triturado hasta un tamaño estándar de aproximadamente 3.0mm,
es alimentado a la tolva de alimentación al tiempo que el ventilador centrifugo succiona
aire del ambiente y le imprime potencia para aumentar la presión. La cámara de educción
regula de manera automática la alimentación y la relación aire/combustible controlada por
el PLC, y por medio de un variador de frecuencia que actúa de acuerdo con las
condiciones registradas de manera permanente en el horno de cocción de materiales.
Tanto el aire como el combustible son alimentados al sistema por medio de una boquilla
fabricada en material resistente a contacto con el carbón para evitar su desgaste. Por ello,
el funcionamiento del Eductor depende de un balance estequiométrico que permita
controlar de manera adecuada el mecanismo de combustión, la mezcla uniforme de
aire/combustible y el tamaño de la partícula de carbón, entre otros aspectos.
2.2 Quemador de combustibles sólidos
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El quemador de combustible es un dispositivo que busca la distribución equitativa de
carbón pulverizado en el proceso de combustión y típicamente está compuesto por las
siguientes partes:

Tolva: Tolva cónica de depósito conectada a un alimentador alveolar que dosifica la
entrada de combustible, de accionamiento por medio de moto-reductor con variador
de velocidad.

Ventilador: Es el encargado de controlar la distribución del combustible y del aire que
ingresa al sistema, es fabricado en material anti-desgaste igual que la carcasa del
equipo. Puede tener 8 ó 10 salidas dependiendo de las necesidades y tamaño del
horno en el cual se realice su instalación. El accionamiento es por medio de motor
eléctrico con variador de velocidad. La distribución es uniforme en todos los puntos de
quema. El volumen de la mezcla aire carbón se puede regular para cada hornilla. Este
ventilador es accionado mediante un motor de 7.5 Kw (10,6 hp), los cuales tienen la
capacidad de generar hasta 17000 RPM en el rotor de la turbina.

Alimentador de combustible sólido: Puede tener hasta 10 salidas, cada salida
atiende un punto de quema (hornilla). La conexión desde el alimentador a la hornilla
se hace con una manguera de 2 ó 3 pulgadas dependiendo de la distancia a recorrer
de la mezcla aire carbón. La descarga en la hornilla se hace con una boquilla en
acero. El tamaño del carbón antes de que este ingrese a la tolva debe ser
aproximadamente de 5.0 mm.

Cuadro eléctrico de comando: Funciona con sistema electrónico de regulación de
las temperaturas en función del tiempo. Cuenta con cinco programas de quema para
atender automáticamente los requerimientos de acuerdo a las necesidades y tipo de
material a cocer. Cuenta con dos sondas pirométricas, que se colocan en las puertas
del horno o en la parte superior, suministran los datos que alimentan el sistema. La
información transmitida al quemador permite regular el caudal de acuerdo con las
temperaturas previamente establecidas.
Dentro de las variables que el quipo permite controlar, se encuentran las siguientes:



Cantidad de carbón
Cantidad de aire
Presión de salida de alimentación de la mezcla aire-carbón
2.2.1 Principio de Funcionamiento
La tolva de alimentación es cargada con carbón previamente molido. El equipo cuenta con
un alimentador alveolar que regula la alimentación al rotor del quemador y que gira a alta
velocidad (bajo el mismo principio de un ventilador) distribuyendo el carbón por las 10
salidas con que cuenta el equipo (Ver Fuente: Ipiac Colombia. 2012
Figura 1). Cada una de estas salidas tiene una válvula manual e independiente de
regulación de salida del combustible.
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Este equipo o quemador puede ser montado y desmontado de manera independiente de
los hornos, dependiendo de las necesidades de producción y no transmite vibraciones
que afecten la vida o la estabilidad del horno. Cada uno de los 10 alimentadores
volumétricos está equipado con tubería flexible de conexión a los puntos de quema del
horno y boquilla de alimentación.
Fuente: Ipiac Colombia. 2012
Figura 1. Quemador de combustible sólido
2.3 Dosificador de combustible
Este equipo consiste en el suministro controlado de aire y combustible para el proceso de
combustión y está compuesto por:



Tolva de suministro: Este dispositivo es cargado con el carbón de diversos tamaños.
Una vez se inicia el funcionamiento del equipo la tolva entrega el carbón a un
compartimento que contiene un molino de martillos (Ver Fuente: CAIA Ingeniería Ltda. 2012
Figura 2a) para homogenizar el tamaño del mismo.
Molino de martillos: Este martillo es el encargado de llevar el combustible (carbón) a
un tamaño homogéneo de partícula antes de ser arrastrado por una corriente de aire
controlada, directamente hacia el horno de cocción de materiales. (Ver Fuente: CAIA
Ingeniería Ltda. 2012

Figura 2b). Para este caso el fabricante no suministró información relacionada con el
tamaño del carbón luego de ser molido.

Ventilador: El ventilador es el encargado de tomar aire ambiente e imprimirle presión
para arrastrar el carbón directamente hacia el horno y al proceso de combustión. Este
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dispositivo, así como las aspas de distribución de combustible, se encuentran
conectadas a la medición de variables de operación como la temperatura en la cámara
de combustión, con el fin de modificar su velocidad y responder de manera automática
a los requerimientos de aire y combustible del proceso. Para este caso el fabricante no
suministró información relacionada con la potencia del motor o el caudal de aire.
2.3.1 Principio de funcionamiento
La tolva de alimentación es cargada con carbón de diferentes tamaños, las aspas internas
del equipo distribuyen el ingreso del carbón al compartimento de molienda en donde un
molino de martillos lleva las partículas de combustible a un tamaño homogéneo que va a
mejorar la eficiencia de la combustión y la distribución del combustible en la cámara del
horno.
El equipo cuenta adicionalmente con un ventilador centrífugo que succiona aire ambiente
y le aumenta la velocidad y presión. El flujo de aire que se genera arrastra el combustible
previamente triturado. Tanto la cantidad de combustible como el flujo de aire son
controlados de manera automática por el equipo, el cual cuenta con variación de
velocidad para responder a las condiciones de operación del horno y al material cargado
para cocción, permitiendo modificar los condiciones de operación y la rata de alimentación
de aire/combustible durante el proceso.
a.
c.
b.
d.
.
Fuente: CAIA Ingeniería Ltda. 2012
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Figura 2. Dosificador de combustible
2.4 Stocker
El Stocker es un equipo de alimentación independiente de aire y combustible, que consta
de:

Tolva: Alimenta el sistema y es cargada de manera temporal con el combustible
(carbón). A diferencia del equipo dosificador visto previamente, en esta tolva el carbón
no es triturado ni homogeneizado (Ver Figuras 4a y 4b).

Tornillo Sin fin: Permite el transporte del carbón desde la tolva de alimentación hasta
la cámara de combustión, en los diferentes tamaños en que este es cargado en la
tolva. Este tornillo es accionado por medio de un motor de baja capacidad que se
encuentra conectado a un sistema de poleas (Ver Fuente: CAIA Ingeniería Ltda. 2012
Figura 3b).




Ventilador: Este dispositivo succiona aire ambiente, le aumenta velocidad y presión y
lo conduce a través de un ducto independiente hacia la cámara de combustión (Ver
Fuente: CAIA Ingeniería Ltda. 2012
Figura 3a y Fuente: CAIA Ingeniería Ltda. 2012
Figura 3d). En este caso los datos de potencia y relación aire/combustible no fueron
suministrados por el fabricante.
a.
c.
b.
d.
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Fuente: CAIA Ingeniería Ltda. 2012
Figura 3. Stocker
2.4.1 Principio de Funcionamiento
El Stocker en un equipo de alimentación de combustible que no incluye preparación
(molienda previa) a un tamaño homogéneo. Dicho combustible, es transportado en los
diferentes tamaños en que se dispone, por medio de un tornillo sin fin que lo lleva
directamente a la cámara de combustión.
De manera paralela un ventilador centrífugo succiona aire del ambiente, le imprime y
aumenta velocidad, para conducir dicho aire a través de un ducto independiente hacia la
cámara de combustión. Lo anterior genera un efecto de tiro natural del aire al ingreso en
la cámara por cuanto no se garantiza una mezcla homogénea de aire/combustible.
Este equipo no cuenta con conexión y medición de variables de operación del horno de
cocción, por lo que no realiza el ajuste de variación de frecuencia de alimentación de aire/
combustible de manera automática.
2.5 Equipo Mixto de Combustión – Proyecto en prueba
Este es un equipo de alimentación independiente de aire y combustible y que, de acuerdo
con la información suministrada por los fabricantes, resulta de mezclar características
técnicas del Stocker y el Eductor, presentados anteriormente. Este equipo cuenta con los
siguientes dispositivos:

Tolva: Es cargada de manera temporal con el combustible (carbón) sin triturar (Ver
Figura 4).

Tornillo Sin fin: Este dispositivo permite el transporte del carbón desde la tolva de
alimentación hasta la cámara de combustión, en los diferentes tamaños en que este
es cargado en la tolva. Este tornillo es accionado por medio de un motoreductor que
se encuentra conectado a un sistema de cadena y piñón (Ver Figura 4).
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
Variador de Frecuencia: Este dispositivo controla de manera independiente la
cantidad de aire y la cantidad de combustible que se requiere en el horno para la
correcta cocción de los materiales. La medición de variables se realiza de manera
continua, y como respuesta a las condiciones instantáneas se varían las velocidades
del ventilador y del tornillo sin fin.

Ventilador: Este dispositivo succiona aire ambiente, le aumenta velocidad y presión y
lo conduce a través de un ducto independiente hacia la cámara de combustión (Ver
Figura 4). En este caso los datos de potencia no fueron suministrados por el
fabricante.
Fuente: CAIA Ingeniería Ltda. 2012
Figura 4. Equipo Mixto – Proyecto en prueba
2.5.1 Principio de Funcionamiento
La alimentación de combustible sin preparación es análoga a la del Stocker. Dicho
combustible, es transportado en los diferentes tamaños en que se dispone, por medio de
un tornillo sin fin que lleva directamente el combustible a la cámara de combustión.
De manera paralela un ventilador centrífugo succiona aire del ambiente y le imprime
velocidad para conducirlo a través de un ducto independiente hacia la cámara de
combustión. Lo anterior genera un efecto de tiro natural del aire al ingreso en la cámara
por cuanto no se garantiza una mezcla homogénea de aire y combustible.
El ingreso del aire se realiza por la parte inferior del combustible, lo que genera un efecto
de tiro forzado que ayuda adicionalmente a que se presente una mezcla completa al
ingreso.
Este equipo cuenta con conexión y medición de variables de operación del horno de
cocción, por lo que realiza el ajuste de variación de frecuencia de alimentación de aire y
de combustible de manera automática.
2.6 Análisis Comparativo de los Equipos Identificados
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Con el fin de brindar herramientas necesarias para la evaluación y análisis de las
variables que deben ser tenidas en cuenta a la hora de seleccionar el o los equipos de
combustión más eficientes para los hornos ladrilleros del Municipio de Nemocón, a
continuación se presenta una tabla comparativa de diferentes aspectos y variables que
deberían ser considerados para su selección, dichos aspectos incluyen factores
operacionales, sistemas de monitoreo, ahorro en el consumo de combustible, entre otros.
Toda la información incluida en la tabla ha sido suministrada por los fabricantes de los
equipos, por lo que no se cuenta con información para comprobar la certeza de la
información.
¿Requiere
Control Alimentación
Variador
Tecnología trituración
de
en múltiples
Frecuencia
de carbón?
Temper quemadores
Eductor
Quemador
Dosificador
Stocker
Equipo Mixto
Si
Si
No
No
No
Si
Si
Si
No
Si
Si
Si
Si
No
Si
No
Si
Si
No
No
Porcentaje
Fácil
Permite
Sistema de
de reducción
instalación,
controlar
monitoreo
en el
movimiento
relación aire
PLC
consumo de
mantenimiento
/combustible
combustible
Si
Si
Si
10-15%
Si
Si
Si
30%
Si
Si
Si
25-30%
Si
No
No
ND
Si
No
Si
ND
ND: Dato no disponible
2.7 Conclusiones
Existen una variedad de equipos con diferentes principios de funcionamiento que buscan
optimizar el proceso de combustión en la fabricación productos de cerámica refractaria, no
refractaria y de arcilla. En este sentido, es importante mencionar que el mejoramiento en
la eficiencia de la combustión resulta en una reducción directa de los niveles de
concentración de contaminantes atmosféricos emitidos por el proceso. De acuerdo con lo
anterior, la instalación de este tipo de equipos debe estar acompañada de una serie de
buenas prácticas operaciones que incluyan como mínimo, la verificación de la calidad del
combustible, el tamaño del mismo (en el caso de tratarse de carbón), la capacitación a los
trabajadores encargados de la operación de los equipos, el mantenimiento preventivo de
los mismos, entre otros aspectos.
Los equipos inventariados son de fácil instalación, operación y mantenimiento, tanto por la
versatilidad que ofrecen los dispositivos que los componen, como por su principio de
funcionamiento. En algunos casos, se facilita su movimiento y traslado interno a diferentes
hornos, dependiendo de las necesidades de producción.
El óptimo funcionamiento de los equipos mostrados, depende en gran medida del análisis
y cálculo estequiométrico de las necesidades reales de aire y combustible que se
requieren para una determinada cantidad de producción (Esta relación depende de la
cantidad de material cargado, el tipo de producto, el momento del proceso, el tipo de
horno, entre otros aspectos). Es importante mencionar que este control debe ser continuo
y automático, de manera tal que dependiendo de las condiciones del horno, se modifican
las condiciones, tasas de alimentación y la relación aire/combustible.
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Los equipos de combustión que cuentan con una preparación previa del combustible, es
decir, aquellos que llevan las partículas de carbón a un tamaño homogéneo y fino,
incrementan en una medida importante la eficiencia de la combustión, reduciendo con
esto el consumo de combustible y además disminuyendo los niveles de concentración de
los contaminantes aplicables, acercándose al cumplimiento normativo.
Actualmente, se están desarrollando por parte de los propietarios de los hornos ladrilleros
en diferentes zonas del país, importantes esfuerzos para optimizar el consumo de
combustible y lograr el cumplimiento normativo, que obedecen a los conocimientos
empíricos del funcionamiento de sus hornos que pueden brindar herramientas
interesantes para el diseño y mejora de los equipos identificados en el presente
documento.
Algunos datos clave, como la relación aire/combustible que depende particularmente de
cada tipo de horno, del material cocido, de la cantidad de material cargado, no son
fácilmente suministrados por parte de los fabricantes de los equipos por cuando ellos
consideran que hace parte de su “Know How”. En este caso dicha información podría ser
obtenida a partir del desarrollo de proyectos pilotos y ensayos a diferentes condiciones y
en la fabricación de diferentes productos.
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