Origen y tipo de las emisiones ala atmósfera durante la cocciónde productos cerámicos

as emisiones a la atmósferaterrestre durante la cocciónde productos cerámicos pro-vienen de dos orígenes:

1) Carga en cocción:

Son resultado de las transformacionesque experimenta la carga en cocción enfunción de cada temperatura a lo largo deltratamiento térmico.

Las emisiones más corrientes son CO2;

CO; SO2; F y Fluoruros; Cl y Cloruros, ade-más de vapor de agua y COVs (Compues-tos Orgánicos Volátiles).

Las cantidades emitidas dependen de lacomposición y la pureza de las materiasprimas empleadas y de la curva de coc-ción aplicada.

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2) Calefacción del horno:

En el calentamiento por combustión degas natural, combustible más comúnmen-te utilizado, se emiten los productos deesta reacción exotérmica. BásicamenteCO2 y vapor de agua, además de cantida-des menores de CO; Nox e hidrocarburos.Estos últimos gases son producidos poruna combustión incompleta, o bien cau-sados por el modo y la temperatura enque ha tenido lugar la combustión.

Cuando se utilizan otros combustibles líqui-dos o sólidos se emite además SO2, y mayo-res cantidades de NOx y otros compuestos.Cuando la calefacción es eléctrica, lasemisiones se realizan en la planta térmicade generación de electricidad.

Cantidades de emisiones en los hornos

En adelante nos referiremos a las emisio-nes que provienen del combustible nor-malmente utilizado en hornos, es decir elgas natural.

Las emisiones especificas o emisiones porcada unidad de producto cerámico cocidoson proporcionales al consumo de energíaempleado en la cocción de cada una de ellas.

La emisión típica de CO2, provinente delcombustible en hornos continuos, es del

orden de 70 a 165 kg CO2/tonelada coci-da, variando con la temperatura, la densi-dad neta de la carga a cocer, tipología dehorno y otros factores.

En hornos intermitentes estos valores sesitúan entre 190 a 300 kg CO2/toneladacocida en función de los factores citadosanteriormente.

En hornos con calefacción eléctrica, las emi-siones globales (teniendo en cuenta las quese emiten en la central térmica de generaciónde electricidad) son normalmente mayoresque en los hornos con calefacción por com-

bustión, debido a que el rendimiento delcombustible quemado en el horno, suele sermayor que si se quema en la central térmica.Este menor rendimiento se ve penalizadoademás por las perdidas de transporte de laelectricidad hasta los puntos de consumo.

Factores que influyen en unamenor emisión especifica o porunidad producida en los hornos

Son los siguientes:

Una mayor relación carga neta/cargabruta Este factor ha mejorado con los modernossistemas de refractarios de encañe, comoson la utilización de barras, placas y so-portes en CSi, etc...

Disminución del peso de los materia-les cerámicos disminución habida del peso del m2 fabri-cado por el menor grueso de las baldosas,lo que además disminuye las emisionesdel transporte, al caber mas m2 por con-tainer. También los formatos de ladrillosmás grandes y más ligeros por unidad devolumen de obra.

Una menor masa a calentar en la obramuerta de hornos intermitentes y enlas vagonetas, y un aislamiento mejo-rado en hornos continuosEn los últimos años ha habido una impor-

Aislamiento DumInsulation de un horno Intermitente.

Grupo de quemadores DumPulsion.

Mejores tecnologías aplicadas en lossistemas de medida, regulación y controlde emisiones, en hornos de coccióncerámica

EN ESTE ARTÍCULO SE DESCRIBEN LAS EMISIONES RESULTANTES DE LACOCCIÓN DE PRODUCTOS CERÁMICOS DE TODO TIPO, SE ENUMERAN LOSFACTORES A TENER EN CUENTA PARA DISMINUIR LAS EMISIONES EN LOSHORNOS Y SE DESCRIBEN LAS TECNOLOGÍAS APLICADAS EN LOS HORNOSDE COCCIÓN PARA ESTE FIN.

POR ORIOL FELISART DE KILNOGY S.A.

Aislamiento DumInsulation de un horno tunel.

L

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más adecuados para cantidades produci-das menores y/o de mayor precisión.

Tipo de combustible y de quemadoresEl gas natural se ha ido convirtiendo en elcombustible fósil mayoritario en los últimosaños. Sus emisiones son menores en rela-ción con los demás combustibles, a saber:

- menor emisión de CO2 por unidad decalor útil, debido a que dispone demejor relación hidrogeno/carbono.Comparativamente si se utiliza fueló-leo la emisión de CO2 aumenta del or-den el 40 al 50% y si se utiliza carbónun 70-80 % aproximadamente

- prácticamente no se emite SO2, res-ponsable principal de la lluvia ácida,debido a la casi total ausencia de azu-fre en el gas natural

- menor emisión de NOx; CO y COV’s

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tante evolución en la calidad, la menormasa y el poder aislante y duración de losaislamientos. En la actualidad existen ais-lamientos microporosos con característi-cas aislantes 3 ó 4 veces mejores queotros aislantes como fibras, paneles ais-lantes convencionales o ladrillos aislantes.Su elevado precio resultará económico enla medida en que suba el precio de laenergía y el de las emisiones.

Disminución del % de rechazos o mer-mas de cocciónCon lo que se recuperan las emisiones co-rrespondientes asociadas a su fabricacióny cocción, además del derroche de ener-gía, de mano de obra, de ocupación demáquinas, de materias primas y de espa-cio de horno para cocerlas.

Flexibilidad en los hornos para trataradecuadamente diferentes productosDebido a los imperativos de un mercadocambiante es necesario que los hornossean muy flexibles o multiproducto. Exis-ten tecnologías que aseguran la concep-ción y fabricación de hornos que permitentratar varios productos de diferentes for-matos y características con excelentes re-sultados en cada uno de ellos. Así se emi-te solamente lo imprescindible paraabastecer el mercado en cada momento.

Mejor uniformidad y precisión en el tratamiento térmico Resultando en uniformidad y precisión enlas propiedades físicas y de aspecto de losproductos cerámicos, se maximiza la can-tidad de productos conformes, y se evitan

reclamaciones y sustituciones ahorrandoenergía y emisiones.

Menor necesidad de mantenimientodel hornoEn un horno bien construido, con materia-les de calidad, la necesidad de manteni-miento es menor. El horno funciona asímás tiempo en condiciones óptimas, conmayores rendimientos energéticos y me-nores emisiones por unidad fabricada.

Tipo de hornoLos hornos continuos tienen consumosespecíficos, y emisiones originadas por lacombustión, del orden de una tercera par-te de los de un horno intermitente para elmismo tratamiento. Por el contrario loshornos intermitentes son más flexibles y

Recuperación de calor a secaderos.

Tecnologías aplicadas en los hornos de cocción de cerámica DUM

Quemadores de baja emisión de NOxpor combustión en etapasDeben instalarse quemadores de alta ve-locidad, en los que la combustión se rea-liza de forma escalonada en el mismoquemador. En una primera etapa se creauna llama primaria a menor temperaturacon gran exceso de aire, para seguida-mente pasar a una segunda etapa o llamasecundaria en la que se añade el gas res-tante y se consigue la temperatura de lla-ma requerida. La reducción en la emisiónde NOx puede ser del orden del 50% omás, en relación con la combustión con-vencional en una sola etapa.

Aislamientos optimizados DumLinsula-tion y DumHinsulation de baja masatérmica y bajo mantenimientoEn hornos intermitentes o en continuosque tengan que apagarse repetidas veces,debe minimizarse la suma de calor absor-bido + calor disipado por los aislamientosde las diferentes secciones o partes delhorno. Con los aislamientos optimizadoscompuestos por una combinación de la-drillos refractarios aislantes, de composi-ción mineralógica adecuada, y fibras re-fractarias de alta temperatura declasificación, se consigue un aislamiento

con menor necesidad de mantenimiento,incluso para ciclos muy rápidos.

Densidad y dimensiones de las cargasy de los pasos de gases adecuadosLa elección y cálculo de las dimensiones delos módulos de carga, y de la disposición delos quemadores o otros elementos de cale-facción, es crítico para el calentamiento oenfriamiento homogéneo de los productos.El tratamiento térmico debe ser igual, conindependencia de la situación del producto,ya sea en el exterior o en el centro de losmódulos o empaquetamientos en los queesté dispuesta la carga. Para conseguir es-tos resultados también deberán preverseen el interior del horno corredores o espa-cios adecuados de recirculación de los pro-ductos de la combustión. Estos espaciosestarán dimensionados en relación con lapotencia que deba ser entregada o extraídade la carga, en función del ciclo de coccióno tratamiento térmico.

Combustión pulsada DumPulsiónLa tecnología de los quemadores de alta ve-locidad o jet es un valioso recurso para latransferencia de calor y para el tratamientohomogéneo de la carga, cuando los quema-dores funcionan a capacidad nominal. En

caso de no ser así, como en las regulacio-nes clásicas en la que la variación requeridade potencia se efectúa por modulación con-tinua de los caudales de combustible y com-burente, se pierden la mayoría de las pro-piedades de transporte de calor queproporcionan este tipo de quemadores. Lacombustión pulsada DumPulsión pone re-medio a esta situación y mejora las caracte-rísticas de homogenización del horno. Con-siste en la regulación de potencia decalentamiento entregada por los quemado-res jet mediante el encendido a llama má-xima/llama mínima secuencial de los que-madores, de forma rotativa y exactamentedeterminada. Permite conseguir la mayortasa de transferencia de calor posible en ca-da momento, con las siguientes ventajas:

- Excelente isotermia- Potencia utilizable virtualmente del

0-100% (posibilidad de ciclos prolon-gados a baja temperatura)

- Atmósfera de cocción constante- Consumo reducido al disminuir la tem-

peratura de salida de gases del hornopor la mayor transferencia de calor

- Emisión mínima de efluentes al traba-jar los quemadores siempre en lascondiciones óptimas

Ejemplo de horno que lleva analizador DumZirconexact, combustión DumPulsión y sistema de homogenización Dumjet.

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característica, los reglajes de los hor-nos deberían ser lo suficientementeamplios como para tener en cuenta es-tas posibles variaciones, lo que redun-da en un mayor consumo y más emisio-nes de las estrictamente necesarias alno disponerse de un sistema de ajusteautomático.

Sistema de aumento de transferenciade calor DumJetSon dispositivos que consiguen inyectaren el interior del horno relativamente pe-queñas cantidades de aire o gases a altavelocidad, con lo que se consigue unaimportante cantidad de movimiento (ómasa x velocidad). Con este dispositivose consiguen asimismo importantes ta-sas de agitación y recirculación de los ga-ses interiores del horno, especialmenteen los periodos o zonas de precalenta-miento y enfriamiento lento, con impor-tante efecto de transferencia de calor yhomogenización de temperaturas. En de-finitiva, mejora las características de coc-ción, permite ciclos mas rápidos y evitala introducción de exceso de aire decombustión, todo ello minimizando lasemisiones especificas.

Adquisición de medidas en temperatu-ra, atmósfera, presiones, velocidadesde transporte, por bus de campo, con-sumo de gas corregidoLa utilización de Bus de Campo para la ad-quisición de estas medidas simplifica lainstalación y cableado del sistema de me-dida, y debido a su transmisión numérica,garantiza medidas de mayor fiabilidad, yprecisión. Esto redundará, en combina-ción con los métodos de regulación apro-piados en una mejor calidad de producto yuna emisión minimizada.

Regulación centralizada por PLCEl control y regulación de los hornos inclu-yendo el de los mecanismos de transpor-te, ventiladores, etc... por un PLC centrali-zado, en contraposición con la utilizaciónde aparatos de regulación especializadoso autómatas de control parcial de las ins-talaciones, permite dotar al horno de ma-yor flexibilidad o capacidad de respuesta.Las características esenciales de funcio-namiento del horno residen en el progra-ma de autómata, por lo que puede recon-figurarse el horno fácilmente para cadaaplicación, si esta es muy diferente, inclu-so a distancia.

Programa de Supervisión por ordenador DumVisiónEl DumVision es un sistema de supervisiónde prestaciones únicas que incluye el re-gistro de variables y acontecimientos jun-to con facilidades de programación entemperatura, atmósfera y presión, y lacontinua visualización del funcionamientodel horno.

Dispone de registro continuo de todas lasvariables de funcionamiento incluidaspotencias entregadas, consumos, com-posición consigna y real de las atmósfe-ras y otras.

El sistema informa al detalle del funciona-miento y permite “aprender” las mejoresestrategias de utilización y optimizacióndel consumo energético.

Se completa con un exhaustiva informaciónde todo tipos de eventos y ayudas explicitaspara el gobierno de las instalaciones.

Tecnologías emergentes

Quemadores regenerativos y recupe-rativos, combustión con aire precalen-tado a alta temperatura Algunas de estas tecnologías se utilizanampliamente en hornos para la fusión devidrio y otros. La combustión sin llama ocon aire precalentado a alta temperaturaestá aun en una fase de desarrollo.

Su aplicación podría tener interés futuroespecialmente en hornos intermitentes.Actualmente su implantación esta limita-da por su alto precio, su mayor complica-ción y necesidad de mantenimiento.

Los quemadores regenerativos y los recu-perativos precalientan el aire de alimenta-ción de los quemadores, consiguiendo re-ducciones en el consumo energético.Como contrapartida resulta en elevadasemisiones de NOx.

La tecnología de combustión sin llamacon aire precalentado a alta temperatu-ra (superior a 1000 ºC) se caracterizapor unas drásticas reducciones en lasemisiones de NOx y de consumos decombustible.

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Para el control de las emisiones de NOx esimportante el modo en que se realiza lacombustión y la elección de quemadores.

Recuperación de calorNos referimos al calor que pueda ser recu-perado del sobrante de los hornos, ya seadel contenido en los humos, como del aire caliente que resulta del enfriamientode la carga. Este calor recuperado aumen-ta el rendimiento del combustible quema-do en el horno.

Utilización de arcillas con materia orgá-nica o adición de materiales porógenosEstos materiales que, o bien ya se encuen-tran en las arcillas, o bien se añaden paramejorar o aportar determinadas característi-cas a los productos, pueden disminuir el con-sumo de combustible en los quemadores.Desde el punto de vista de las emisiones glo-bales de calefacción del horno, deben su-marse las que provienen del combustible enlos quemadores con las que resultan de lacombustión de estos materiales. El resultadoes que las emisiones se mantienen o au-mentan debido a las mayores impurezas ycontenido de carbono de los materiales orgá-nicos en la carga, por lo que no pueden con-siderarse como factor de disminución deemisiones sino mas bien todo lo contrario.

Funcionamiento independientede quemadores con controlindividual de ratio aire/gas y de potencia

En esta técnica, cada quemador dispo-ne de medios independientes pera va-riar la relación aire/gas a voluntad enfunción de la atmósfera requerida decocción en cada etapa del tratamiento,además de estar dotado individualmen-te de las válvulas para la realización delos pulsos según el modo de controlDumPulsión. La independencia de losquemadores permite una excelente dis-tribución de estos recursos en cadaparte del horno, resultando en la menorutilización posible de la energía y de lasemisiones.

Elevado numero de zonas de regulación independiente Esta característica permite tratar con

exactitud los productos con independen-cia de su posición en el horno. Por otro la-do da un máximo de flexibilidad al hornoque así dispone de una capacidad deadaptación importante para poder tratarproductos de diferentes densidades, for-matos y apilamientos incluso con cargasno homogéneas dentro del horno al mis-mo tiempo.La tecnología de un elevadonúmero de zonas necesita para su buenfuncionamiento de un numero elevado deelementos de medida de temperatura(termopares) y de atmósfera (sondas deanálisis). La distribución de estos elemen-tos de medida en el horno debe ser reali-zada con sumo cuidado para que sus me-didas sean representativas. El gestorcentral es un autómata, con un elaboradoprograma de regulación y control del hor-no, concebido como un conjunto.

Algoritmos de regulación de acción realistaLa multitud de prestaciones y recursosdisponibles en los hornos con estas tecno-logías, necesitan de un elaborado progra-ma de regulación que integre o tenga encuenta el comportamiento real del horno.En particular la regulación de potencia enhornos con un elevado número de quema-dores o fuentes de calor de cualquier tipo,y de zonas de regulación de acción inde-pendiente, debe tener en cuenta que loselementos de medida de temperatura, nosolo reflejan la potencia entregada por elquemador geométricamente atribuido si-no que también integra la potencia queentregan los demás quemadores del hor-no en diferente proporción según su proxi-midad.

Los sistemas modernos de regulaciónpueden detectar lecturas erróneas o abe-rrantes de termopares y analizadores deatmósfera, y sustituirlas por “lecturas vir-tuales” hasta que pueda ser reparado ocalibrado el elemento de medida por eloperador del horno, al cual se le informaautomáticamente mediante la supervisón,el elemento que debe verificar.

Instalación de analizadores de atmósfera DumZirconexactEstos analizadores se instalan en el hornoprácticamente con la misma facilidad quesi fuese un termopar, y permiten medir el

poder oxidante o reductor de la atmósferainterior del horno, ya sea en índice de fac-tor de aire o bien en forma de % O2.

Son unos valiosos y económicos mediosde control continuo y en línea de la at-mósfera de cocción, y permiten ajustar lasemisiones al mínimo imprescindible.

Están basados en una célula de medidade oxido de zirconio, no necesitan trata-miento de la muestra y pueden trabajar atemperaturas de hasta 1800ºC, con muybajo mantenimiento.

Regulación de la atmósfera de cocciónpor bucle abierto o cerrado, correcciónde las variaciones de poder caloríficodel combustibleEl ciclo de tratamiento térmico de los pro-ductos cerámicos requiere la presencia deporcentajes de oxigeno que pueden ser di-ferentes en cada etapa, en función de lasmaterias orgánica a quemar etc. En algu-nos casos son necesarios periodos en quedeben aplicarse reducciones o atmósferasde cocción con una precisa falta de airerespecto del aire estequiométrico de com-bustión.

La instalación de analizadores de atmós-fera DumZirconexact se realiza de manerasistemática como standard en todos loshornos.

Así se posibilita que pueda regularse fácil-mente la atmósfera al valor requerido encada momento, y como consecuenciacontrolar las emisiones al valor mínimoposible.

En ciclos donde sea importante no inter-actuar con el/los bucle/s de regulaciónde potencia pueden establecerse rela-ciones de “bucle abierto” en las que seimpone, en cada segmento del progra-ma de cocción, una relación aire/gas fijaconsiguiéndose atmósferas interiores dehorno con valor aproximado, fácilmentecontrastable con la lectura de/los anali-zador/es.

La regulación de atmósfera en buclecerrado corrige automáticamente lasvariaciones existentes del poder calorí-fico del combustible: de no existir esta

Ejemplo de horno que lleva analizador DumZirconexact, combustión DumPulsión y sistema

de homogenización Dumjet.