Eficiencia Energética para la Industria Ladrillera - Red Ladrilleras

USO EFICIENTE DE LA ENERGIA EN LA PRODUCCION DE LADRILLOS A PEQUEÑA ESCALAAutores: Emilio Mayorga, Teodoro SánchezPrograma de Energía ITDG-Perúhidro@itdg.org.pe, teo@itdg.org.pe1. RESUMENEste trabajo presenta los principales resultados de la evaluación de quemas de ladrillos, obtenidosdurante la ejecución de un proyecto orientado hacia el empleo eficiente y racional de la energía en losdiferentes procesos de la producción de ladrillos, en pequeña escala, así como al desarrollo de unametodología de transferencia tecnológica en esta área, para asegurar la sostenibilidad de losresultados logrados durante su ejecución.Se concluye que es convenientepromover la sustitución de leña porcarbón mineral u otros desechosagroindustriales, no sólo por razonesecológicas sino económicas. Sinembargo para asegurar lacontinuidad de los trabajos que sevienen desarrollando, es necesariocapacitar a los productores en losaspectostecnológicos,empresariales y de comercializaciónde insumos y productos.Foto ITDG: Carga de un hornoladrillero artesanal en Piura2. INTRODUCCIONSe trabajó en la sustitución de leña (empleada tradicionalmente), por carbón mineral en el proceso dequema; evaluándose comparativamente los resultados de ambas técnicas para definir la másadecuada a las condiciones de zonas rurales seleccionadas en Piura y Ayacucho. Adicionalmente sehan evaluado, como potenciales combustibles alternativos, algunos desechos agroindustriales comola cascarilla de arroz. De igual modo se han analizado diferentes técnicas de moldeo y secado, endiferentes lugares del país y del exterior, para determinar tecnologías probadas que puedan seradaptadas a las condiciones socioeconómicas de los productores seleccionados. Por último, se hanefectuado ensayos de resistencia de los ladrillos producidos con una y otra tecnología, para compararen forma preliminar la efectividad de los resultados. Se ha suscrito un convenio con el Servicio deCapacitación para la Industria de la Construcción - SENCICO, entidad Estatal con oficinasdescentralizadas, orientado a asegurar la sostenibilidad del proyecto a través de la transferencia delos resultados finales que se obtengan. Por otra parte, se han iniciado coordinaciones con el Institutode Transferencia de Tecnologías Apropiadas del Convenio Andrés Bello, que trabaja en los PaísesAndinos, Panamá y España, para la difusión internacional de los resultados.3. DESARROLLODe acuerdo a los estudios elaborados por el proyecto en sus etapas de formulación y ejecución, sehan estimado en dos mil el número de pequeños productores. Sólo en los Departamentos deAyacucho y Piura, se consiguió información directa de 197 pequeñas empresas.Las capacidades de producción, están definidas básicamente por las capacidades de los hornos queemplean y que en las zonas de evaluación son:

PiuraAyacuchoAlto MayoCajamarcade 04 a 14 millares de ladrillosde 15 a 30 millaresde 05 a 25 millaresde 15 a 30 millaresEl principal problema que enfrentan los productores rurales en Ayacucho, Cajamarca, Piura y SanMartín, es la creciente escasez de leña para los procesos de quema. El motivo es el aceleradoavance de la desertificación, que representa una pérdida de bosques de mas de 22,000 ha anualessólo en la costa norte. Conviene mencionar que la especie forestal que se emplea preferentementepara producir carbón para su uso en pollerías o leña para quema de ladrillos es el algarrobo, cuyosbosques se encuentra en peligro permanente de desaparición.ITDG ha evaluado el consumo típico de leña en un horno pequeño en Piura, para la quema de 12millares de ladrillos; para ello se requieren 8.5 toneladas. Considerando que el productor efectúa unpromedio de 10 quemas al año, su consumo anual será de 85 toneladas de madera por lo general dealgarrobo, lo que representa la tala promedio de 8 ha, o lo que es lo mismo de 520 árboles dealgarrobo por año.En los Departamentos de Cajamarca, San Martín y Ayacucho, el problema de la escasez de leña y sudemanda para quema de ladrillos, también reviste caracteres alarmantes. En zonas como Ayacucho yTrujillo, donde antes se empleaba sólo madera o combustible Diesel en la quema de ladrillosartesanales, debido a la escasez mencionada y al sinceramiento del precio de los combustiblesderivados del petróleo a partir de los años noventa, ahora emplean principalmente las quemas mixtas.Usan principalmente carbón mineral en la carga del horno, mientras que el Diesel o la madera sonempleados sólo durante el encendido, reduciendo así los costos de producción. En zonas de Piura,como Catacaos, se emplea también la cascarilla de arroz como combustible, sin embargo este uso noestá difundido principalmente porque las experiencias no están sistematizadas.Estos antecedentes, así como otros reportados por diferentes entidades que laboran en UK,Zimbabwe, Bolivia, Brasil y Ecuador, orientaron las primeras actividades de selección de técnicasprobadas que puedan ser adaptadas a los requerimientos de las empresas ladrilleras seleccionadasen las zonas de trabajo del proyecto. De igual modo el equipamiento accionado a motor para moldeode ladrillos usado en Moyobamba, así como la información sobre equipos de baja potenciaempleados en UK y Zimbabwe, orientan nuestras actividades de adaptación de tecnología apropiadapara tal fin.Durante el primer año del proyecto, se desarrollaron estudios base, se investigó bibliografía y serecopiló información sobre experiencias previas sobre el tema. Ese primer año culminó con un Tallerde intercambio de información, en el que fuera de los trabajos ejecutados en Perú, destacaron losaportes de la Escuela Superior Politécnica del Litoral de Guayaquil - ESPOL sobre investigacionesbibliográficas y de campo, así como de IT-UK e IT-Zimbabwe con información sobre sus experienciasy con el avance en una metodología estándar para evaluación de quemas en diferentes hornos, conpropósitos comparativos.Las actividades de campo posteriores, a partir de abril de 1998, se basan en los resultados obtenidosel primer año. Podemos separarlas en 4 temas: quema en el horno, equipos para los procesos,evaluaciones de insumos/productos y transferencia de resultados. En el presente trabajo, sepresentan resultados sobre quemas y evaluaciones de insumos/productos.3.1 QuemasLa bibliografía coincide en asignar rangos similares para el consumo de energía, según el tipo dehorno empleado, de simple, media o avanzada tecnología. La tabla 1, muestra la energíaespecifica consumida al calor necesario para quemar un kilogramos de ladrillos.Evaluaciones efectuadas por ESPOL, que incluyen mediciones, encuestas y estimaciones, hanconcluido que los hornos usados en Ecuador de los tipos Clamp y Escocés, se encuentran endichos rangos. En base a la información mencionada y a las características de los hornos de losproductores nacionales, se decidió trabajar con los hornos tipo escocés; que se caracterizan por

tener paredes fijas, con zonas abiertas para el ingreso del material, que luego se sellan al igualque el techo durante la quema, para volver a abrirse durante la descarga.Al respecto es posible estimar teóricamente la cantidad mínima de energía, vale decir decombustible, necesaria para quemar un kilogramo de ladrillo, a una atmósfera de presión y convalores típicos de humedad de 3%, temperatura ambiente de 20ºC y temperatura de sinterizaciónde 1000ºC (ver Anexo).Tabla 1: energía específica consumida al calornecesario para quemar un kg de ladrillos.TecnologíaEnergía Específicade quemaSimple 3,5 a 8,0 MJ/kg ClampMedia 2,3 a 6,5 MJ/kg EscocésAlta 1,0 a 2,5 MJ/kg HoffmanHorno TípicoEsta energía tiene tres componentes: Calor necesario para elevar la temperatura del aguacontenida en el ladrillo húmedo hasta la temperatura de evaporación; calor necesario paraconvertir el líquido saturado en vapor saturado y calor necesario para elevar la temperatura de lamasa del ladrillo desde la temperatura ambiente a la temperatura de sinterización. La energía totalrequerida, para quemar un kg de ladrillo en las condiciones típicas asumidas, es: Q Total = 0.81MJ/kgPor lo tanto los valores de energías específicas de quema inferiores a este valor mínimo teórico,no serían confiables e indicarían posibles errores cometidos durante la evaluación. Por otra parte,de acuerdo a la información encontrada sobre consumos específicos de energía en los hornosescoceses, encontrar valores menores a 2.3 MJ/kg indicarían ensayos no confiables o que lainformación internacional existente sobre el tema debe ser complementada. Por todo lo expuesto,el conocimiento previo del poder calorífico del combustible o combustibles a ser usados en unensayo, es requisito fundamental para calcular sus cantidades adecuadas para la quema. Aplicarla metodología de evaluación desarrollada por el proyecto, no sólo es útil para determinar elconsumo específico de energía durante el proceso de quema, sino que a partir del resultadoobtenido, permite determinar posibles errores en las mediciones o una estimación inadecuada dela cantidad del combustible empleado en la quema.Se han evaluado 13 quemas en Piura y Ayacucho, empleando la metodología desarrollada por elproyecto. Se acompañan dos formatos de monitoreo, en los que se aprecia que la quema conmadera (Formato 7), arroja resultados sobre el consumo específico de energía que se encuentranen el rango reportado. Sin embargo la quema empleando carbón mineral (Formato 13), muestra unconsumo inferior, lo que sólo puede explicarse si los rangos reportados por la bibliografía sólocorresponden a quemas de ladrillo empleando madera.3.2 Evaluaciones de insumos/productos3.2.1 CombustiblesLas evaluaciones del combustible para determinar su poder calorífico neto, encargadas alaboratorios que emplean normas ASTM son muy costosas. Cada ensayo para determinar elpoder calorífico neto, supera los UIS$ 118, ya que según normas se debe determinarpreviamente el contenido de hidrógeno o usar una bomba calorimétrica, que no es muy comúnen nuestros laboratorios comerciales. Inicialmente se mandaban hacer dichos análisis, peroahora se manda hacer sólo el análisis inmediato (humedad, volátiles, cenizas, y carbono),determinándose teóricamente con una aproximación del 3% el poder calorífico neto, lo cual essuficiente para propósitos del proyecto.El combustible empleado es cisco de carbón, antracítico en Piura y semi bituminoso enAyacucho, con poderes caloríficos netos típicos de 26,000 y 17,000 kJ/kg respectivamente. Loscontenidos de azufre de los carbones nacionales es bajo de 0.5%. Por otra parte la madera de

algarrobo usada en Piura tiene un poder calorífico neto de 15,500 kJ/kg, mientras que lamadera de eucalipto empleada en Ayacucho tiene 18,000 kJ/kg. Se ha evaluado también laposibilidad de emplear cascarilla de arroz como combustible alternativo, con un poder caloríficoneto de 13,300 kJ/kg.3.2.2 LadrillosCon relación a la calidad de los ladrillos producidos, las normas técnicas peruanas sobre eltema son las normas ITINTEC 331.017, 331.018 y 331.019. En ellas se consideran cincocalidades de ladrillo. Los ladrillos artesanales corresponden a las dos primeras categorías I y II,con resistencia y durabilidad bajas, en condiciones de servicio con exigencias mínimas ocondiciones de servicio moderadas. En ambos casos los requisitos obligatorios que imponenlas normas son alternativamente evaluar la resistencia a la compresión o la densidad. Si sólose evalúa la densidad del ladrillo, esta debe tener un valor mínimo de 1.5 gr/cm3 en la clase I, y1.6 gr/cm3 en la clase II. Si sólo se evalúa la resistencia a la compresión, esta debe tener unvalor mínimo de 60 N/cm2 en la clase I y 60 N/cm2 en la clase II. La clase III, exige ya comorequisito una resistencia mínima a la compresión de 95 N/cm2 y simultáneamente unadensidad mínima de 1.6 gr/cm3. Lo cual en caso de ladrillos artesanales es muy difícil deconseguir.Si bien parece más fácil evaluar la densidad que la resistencia a la compresión, las normasespecifican las metodologías a seguir para determinarla, lo que incluye tener balanzas de 0.5gr. de precisión y muflas (hornos), así como accesorios. Ello obliga a recurrir a laboratorios. elcosto de cada ensayo varía de 27 a 45 dólares, pues se requiere de tres a cinco ladrillos comolote mínimo para determinar valores promedio. Evaluaciones aproximadas de la densidadefectuadas por ITDG, indican que en los últimos ensayos, la metodología de quema tradicionalmixta (carbón en la carga y leña en el encendido), en Ayacucho produciría ladrillos de Clase I,mientras que la tecnología que viene adaptando ITDG (carbón en la carga y briquetas decarbón en el encendido), produciría ladrillos de clases I y clases II. Los resultados delaboratorio confirmaron que la calidad de los ladrillos obtenidos con la segunda alternativa deencendido para la quema es superior, según se aprecia en el siguiente cuadro, sin embargo esconveniente confirmar estos resultados preliminares con evaluaciones posteriores.Tabla 2: Ensayo de rotura a la compresión de unidades dealbañilería cocida, según Norma ITINTEC 331.018MUESTRASCarga promedio derotura a la compresiónEncendido con briquetas (04 muestras) 122 kg/cm 2Encendido con leña 1 (02 muestras) 59 kg/cm 2Encendido con leña 2 (03 muestras) 93 kg/cm 2Encendido con leña 3 (03 muestras) 82 kg/cm 2Trabajos en Piura y Ayacucho.En la costa norte, desde Tumbes hasta Lambayeque está prohibido el empleo de leña parapropósitos no domésticos, por tal motivo las actividades ejecutadas en Piura, en La Huaca,correspondieron inicialmente a la adaptación de la técnica del empleo de carbón mineral en lacarga del horno, junto con los ladrillos, para sustituir parcialmente la madera, que es usada sólopara el encendido. El resultado ha sido satisfactorio, con una apropiación parcial de losladrilleros, quienes combinan su tecnología tradicional con la tecnología adaptada. El hecho deque no apliquen aún masivamente las quemas mixtas, se debe a dos motivos: el primero es laexistencia de contrabando de leña que es ofrecido al crédito; un segundo motivo es que debenfletar especialmente un camión desde Trujillo, con un mínimo de carga que es superior a sucapacidad de compra individual; por ello requieren de una coordinación entre varios de losproductores para hacer un pedido, lo que no siempre es posible. Otras actividades iniciadas enLa Huaca, para adaptar el empleo de briquetas de carbón, para el encendido del horno, no handado aún el resultado esperado.

Las actividades de adaptación desarrolladas en La Compañía, Ayacucho, se orientaron sólohacia el empleo de briquetas para el encendido, ya que los productores habían adaptado conanterioridad al proyecto, la técnica de quema mixta, reemplazando madera por carbón sólo enla carga de ladrillos dentro del horno. Esta adaptación viene brindando resultados satisfactoriospero hace falta afinarlos. Para no depender de la disponibilidad de hornos de los productoresde la zona para hacer los ensayos y para ejecutar actividades de capacitación , se haconstruido un horno con una capacidad de 23 millares de ladrillos. Este horno ha sidoempleado en la última evaluaciónefectuada en Ayacucho con la técnicade uso briquetas para el encendidocon resultado satisfactorio.En las Tablas 3 y 4, se presentan loscostos de producción de ladrillos enPiura empleando la quema tradicionalcon madera y la quema mixta concarbón, resultando económicamentemás favorable la segunda alternativa.Foto ITDG: Briquetas de carbón yhorno construido en Ayacucho4.- CONCLUSIONESDe acuerdo a las experiencias de evaluación de quema efectuados por el proyecto:• El consumo específico de combustible en hornos escoceses, se encuentra en el rango de 0.93 a2.11 kJ/kg, lo cual es inferior a los valores reportados por la bibliografía. Esto indicaría que elconsumo específico de combustible empleando carbón mineral es inferior al consumo empleandoleña.• El uso de briquetas de carbón mineral en el encendido del horno, aumenta la resistencia a larotura por compresión de los ladrillos fabricados artesanalmente.• La determinación del poder calorífico neto teóricamente a partir del análisis inmediato, essuficiente para la evaluación de los carbones nacionales usados en quemas artesanales, con unabuena aproximación. Se recomienda emplear la metodología Goutal.• Para la difusión de las técnicas de quema con carbón es conveniente apoyar a los productores enlos aspectos de administración y comercialización de insumos y productos, un apoyo económicoinicial a productores organizados, para la compra de unas 20 toneladas de carbón, parece lo masrecomendable.• Se deben sistematizar y optimizar los procedimientos de quema empleando carbón y cascarilla dearroz, para que las tecnologías puedan difundirse principalmente en los departamentos del nortedel Perú.• El reemplazo de madera por carbón y/o cascarilla de arroz es no sólo favorable para losecosistemas sino rentable para los pequeños productores de ladrillo.REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS• BARRIGA, A. Análisis de operación de Industrias Ladrilleras en Ecuador: Aplicaciones al UsoRacional de Leña, ESPOL, Guayaquil 1997.• BEAMISH, A., Village-Level Brickmaking, GATE, Eschborn 1989.• CIPCA, Potencial Forestal de la Región Grau, Piura 1989.• CIPCA, Potencial Forestal de la Región Lambayeque, Piura 1990.• LANGE’S. Handbook of Chemistry, Mc. Graw Hill, Onceava edición.• MASON, K. , Envolving a Standard to compare the Energy Efficiency of Brick Firing Processes,ITDG, Harare 1998.• MAYORGA, E. Adaptación de Tecnologías de producción de ladrillos en zonas rurales del Perú,ITDG, Lima 1998.• MERSCHMEYER, G., Handbook for Village Brickmakers in Africa, MISEREOR, Aachen 1989.• VILLAVECCHIA, V. Tratado de Química Aplicada – Tomo III, Gustavo Gili SA, Tercera edición,Barcelona 1949.

Productor: Víctor CarmenFORMATO DE MONITOREO 07Lugar: La Huaca, Paita.Tipo de horno: 3 túneles, Escocés.Tamaño: 3.4 m x 3.0 m x 3.0 mPoder calorífico (kJ/kg): AlgarroboBruto = 17,555.00 kJ/kgNeto = 15,509.00 kJ/kgContenido de humedad= 10.00 (%)Contenido de humedaden el ladrillo: 1.67 %Calculo de consumo específico de energía:Masa de ladrillos húmedos = 26,670.00 KgContenido total de agua = 444.50 KgEnegía de secado = 1’151,969.50 KJEnergía de la madera = 79’095,900.00 KJEnergía bruta = 79’095,900.00 KJEnergía de quema = 77’944,200.50 KJMasa de ladrillos quemados =Energía específica de quema =Tipo de combustible: Leña dealgarroboNo. de ladrillos crudoscargados en el horno: 6350Método de moldeo: Moldeohúmedo24,130.00 Kg3.23 MJ/KgDatos de quema:Inicio: 20 junio 1998 08:00Fin: 21 junio 1998 07:00Masa de combustible (kg): 5100(algarrobo)Masa de ladrillos:Húmedos = 4.20 kgSecos = 4.13 kgQuemados= 3.08 kgCondiciones del clima: Seco,caluroso ligero viento.Calidad de la información:(i) temperatura de vitrificación:1150 ºC(ii) Anillos Buller número: 55(iii) Temperatura máxima: 970 ºC(iv) Tiempo de quema : 23 hComentarios: Calidad de ladrillos: Comerciales 95%, subquemados y rotos 5%.Productor: Horno ITDG, Martha JaraTipo de horno: 3 túneles, EscocésTamaño: 3.8 m x 4.8 m x 4.0 mPoder calorífico (kJ/kg):(i) EucaliptoBruto = 19,682.00 kJ/kgNeto = 18,029.00 kJ/kgContenido de humedad = 8.90 (%)(ii)CarbónBruto = 17,200.00 kJ/kgNeto = 16,500.00 kJ/kgContenido de humedad = 5.28 (%)Contenido de humedaden el ladrillo: 13.03 %Calculo del consumo específico de energía:Masa de ladrillos húmedos = 81,190.00 KgContenido total de humedad = 10,580.00 KgEnergía de secado = 27’412,780.00 KJEnergía de la madera = 19’705,697.00 KJEnergía del carbón = 68’062,500.00 KJEnergyía bruta= 87’768,197.00 KJEnergía de quema= 60’355,417.00 KJMasa de ladrillos quemados = 65,090.00 KgEnergía específica de quema =0.93 MJ/KgFORMATO DE MONITOREO 13Lugar: La Compañía,Ayacucho.Tipo de combustible: Leña deeucalipto & Cisco de carbónsemi bituminosoNo. de ladrillos crudoscargados en el horno:23000Método de moldeo: MoldeohúmedoDatos de quema:Inicio: 30 July 1998 14:00Fin de madera: 31 July 1998 11:00Fin de carbón: 4 Aug. 1998 9:00Masa de combustibles (kg):1093 (eucalipto)4125 (carbón)Masa de ladrillos:Húmedos = 3.53 kgSecos = 3.07 kgQuemados = 2.83 kgCondiciones del clima: Seco,caluroso, ligero viento después delas 12:00:00 y lluvia esporádica.Calidad de la información:(i) Temperatura de vitrificación:1050 ºC(ii) Barras Holdcroft número: 9, 11,13 y 15(iii) Temperatura máxima: 940 ºC(iv) Tiempo de quema 115 hComentario: La madera se usó solamente para iniciar la ignición de las briquetas.Calidad de los ladrillos: Comerciales 60.6%, subquemados 56.6%, sobrequemados y rotos 7%.

ENERGIA REQUERIDA PARA QUEMAR UNA UNIDAD DE MASA DE LADRILLOEsta energía tiene tres componentes:a) Calor necesario para elevar la temperatura del agua desde la temperatura ambiente hasta latemperatura de evaporación a una atmósfera (100 kPa), es decir a 100ºC.Según las tablas termodinámicas, el calor específico del agua a 0ºC es de 4.218 kJ/kg-ºK, a 27ºCes de 4.179 kJ/kg-ºK y a 100ºC es 4.218 kJ/kg-ºK. Se aprecia una variación insignificante de estevalor en el rango de 0ºC a 100ºC. Tomando un valor promedio de estos tres valores se puedeasumir 4.199 para el calor específico del agua en dicho rango de temperaturas.El calor requerido para elevar la temperatura del agua será:Q1= 0.03 kg x 4.2 kJ/kg-ºK x (100 - 20)ºK = 10.08 kJb) Calor necesario para convertir el líquido saturado en vapor saturado a las mismas condiciones depresión y temperatura.De las tablas termodinámicas, las entalpías de vapor saturado y líquido saturado a 100ºC y unaatmósfera de presión, son 419.04 y 2676.1 kJ/kg respectivamente. Por lo tanto, el calor requeridopara cambio de estado será:Q2= 0.03 kg x (2676.1 - 419.04) kJ/kg = 67.71 kJc) Calor necesario para elevar la temperatura de la masa del ladrillo desde la temperatura ambientea la temperatura de sinterización.Tomando en consideración que la temperatura de sinterización del ladrillo es de 950ºK yestimando en 0.75 kJ/kg-ºK el calor específico promedio de la masa de ladrillo, el calor necesariopara llegar a la temperatura de sinterización será:Q3= 0.75 kJ/kg-ºK x 1 kg x (1000 - 20) ºK = 735 kJSumando estos tres componentes tendremos la energía total requerida para quemar un kg de ladrilloen las condiciones típicas asumidas.Q Total = 0.81 MJ/kgArtículo presentado en el “ VII Simposio Peruanode Energía Solar” , Piura – Perú, Diciembre, 1998