Análisis energético y exergético del proceso de cocción de composiciones cerámicas

Abstract

La mayoría de los estudios energéticos del proceso de fabricación de productos cerámicos tradicionales están centrados en la etapa de cocción debido a que es la que presenta un mayor consumo de energía térmica. Con las tecnologías utilizadas habitualmente en la industria cerámica europea, más de un 50% de la energía introducida en la etapa de cocción se pierde a través de las chimeneas del horno. Un aspecto esencial en el estudio de la etapa de cocción, al que no se ha dedicado tanto esfuerzo, es el estudio de la eficiencia energética del proceso. Este aspecto puede ser determinante en los próximos años para comparar la gestión energética de diferentes instalaciones y productos, y reducir las emisiones de dióxido de carbono asociadas a esta etapa, que vienen determinadas mayoritariamente por el consumo energético. Para establecer con fiabilidad la eficiencia energética es fundamental determinar con precisión la energía necesaria para desarrollar el proceso, que es la energía involucrada en las transformaciones físico-químicas del material durante la fase de cocción. Además esta energía es la única estrictamente irrecuperable, ya que la energía contenida en otras corrientes puede ser potencialmente recuperable, al menos parcialmente. No obstante, en la bibliografía consultada, se ha observado que una de las principales debilidades en el estudio de la cocción de productos cerámicos es la falta de conocimiento de la energía consumida en las transformaciones físico-químicas que se producen durante la cocción de composiciones de cerámica tradicional, que presentan una composición química y mineralógica ciertamente compleja. Por ello, en la primera parte del trabajo, se ha determinado del calor de reacción de las composiciones utilizadas habitualmente en el sector de cerámicas tradicionales mediante el uso de dos métodos: uno totalmente experimental centrado en la técnica de la calorimetría diferencial y otro analítico que establece las principales transformaciones físico-químicas desde el punto de vista energético, a partir del análisis mineralógico de las composiciones de partida y del producto cocido. Estas metodologías se han aplicado concretamente a siete composiciones cerámicas: cuatro de baldosas cerámicas (gres rojo, gres porcelánico, azulejo rojo y azulejo blanco), dos de cerámica estructural (ladrillo blanco y teja blanca) y una composición de vajilla de porcelana. El estudio de las diferentes composiciones muestra que el calor de reacción en las composiciones de cerámica tradicional viene determinado fundamentalmente por la descomposición térmica de los carbonatos alcalino-térreos presentes en la composición, así como por la deshidroxilación de los minerales arcillosos (especialmente de la caolinita), debido a que son procesos fuertemente endotérmicos. También se ha verificado que pequeñas cantidades de materia orgánica en la composición tienen gran influencia en el resultado del calor de reacción, debido a que las reacciones de combustión de la materia orgánica son altamente exotérmicas. En la segunda parte del trabajo, y a partir de la bibliografía consultada, se ha constatado que el análisis energético de los hornos industriales de cocción de materiales cerámicos está normalmente basado en el primer principio de la termodinámica, es decir, en la ley de la conservación de la energía, que cuantifica por igual toda la energía, sin tener en cuenta su calidad ni degradación durante su transformación. La información que aportan estos balances está limitada por el hecho de que no valoran la calidad de la energía aportada ni la de la energía remanente, lo que es muy importante para establecer posibles aprovechamientos posteriores. En este sentido, en el trabajo desarrollado se ha aplicado una completa metodología de análisis energético en un horno industrial dedicado a la fabricación de baldosas cerámicas de gres porcelánico. Para ello, además de los balances de materia y de energía -que en estos equipos realmente se limitan a un balance de entalpía y de calor, utilizando el primer principio de la termodinámica-, se han realizado los balances de entropía y exergía aplicando el segundo principio de la termodinámica. Para realizar estos balances adicionales se ha desarrollado una metodología adaptada a estos equipos industriales a partir de los principios de la termodinámica técnica. No obstante, la aplicación de estos balances permite obtener una información más detallada del comportamiento energético de estos equipos. Así es posible conocer y cuantificar las principales fuentes de irreversibilidad en el proceso de cocción y establecer con precisión la cantidad y calidad de la energía aportada y consumida. Para obtener un análisis más exhaustivo, en la metodología desarrollada en este trabajo, el horno se ha dividido en dos zonas, - calentamiento-cocción y enfriamiento- de forma que todos los balances se han aplicado al horno completo, y a cada una de estas dos zonas. Además, para identificar con mayor detalle las fuentes de generación de entropía (destrucción de exergía) en el horno, se ha realizado un análisis de los principales procesos que tienen lugar dentro de estas zonas del horno. Los resultados del estudio han mostrado que el rendimiento en la cocción de gres porcelánico en el horno monoestrato de rodillos está principalmente afectado por la exergía destruida en la combustión del gas natural, en las transformaciones físico-químicas del material, y en las transferencias de calor. De los resultados de los balances se concluye que la exergía destruida debido a las irreversibilidades asciende a un 63% del total la exergía aportada al horno, mientras que sólo un 8,5% de la exergía se utiliza en las transformaciones físico-químicas del material, quedando sobre un 28% de exergía remanente susceptible de ser aprovechada. La localización e identificación de las irreversibilidades del horno han puesto de manifiesto que para aumentar el rendimiento del horno, se deben controlar algunos de los parámetros de funcionamiento, como son: el exceso de aire de combustión, optimizar el caudal específico de aire empleado para el enfriamiento de material o implementar algunas acciones como la instalación de sistemas de recuperación energética.

La majoria dels estudis energètics del procés de fabricació de productes ceràmics tradicionals, estan centrats en l'etapa de cocció ja que és la que té un major consum d'energia tèrmica. Amb les tecnologies utilitzades habitualment en la indústria ceràmica europea, més d'un 50% de l'energia introduïda en l'etapa de cocció es perd a través de les xemeneies del forn. Un aspecte essencial en l'estudi de l'etapa de cocció, al qual no s'ha dedicat tant d’esforç, és l'estudi de l'eficiència energètica del procés. Aquest pot ser determinant en els propers anys per comparar la gestió energètica de diferents instal•lacions i productes, i reduir les emissions de diòxid de carboni associades a aquesta etapa, que vénen determinades majoritàriament pel consum energètic. Per establir amb fiabilitat l'eficiència energètica és fonamental determinar amb precisió l'energia necessària per desenvolupar el procés, es a dir, l'energia involucrada en les transformacions físico-químiques del material durant la fase de cocció. A més aquesta energia es l'única estrictament irrecuperable, ja que l'energia continguda en altres corrents pot ser potencialment recuperable, almenys parcialment. No obstant això, a la bibliografia consultada, s'ha observat que una de les principals debilitats en l'estudi de la cocció de productes ceràmics és la falta de coneixement de l'energia consumida a les transformacions físico-químiques que es produeixen durant la cocció de composicions de ceràmica tradicional, que presenten una composició química i mineralògica certament complexa. Per això, en la primera part del treball, s'ha estudiat la determinació de la calor de reacció de les composicions utilitzades habitualment en el sector de ceràmica tradicional mitjançant l'ús de dos mètodes: un totalment experimental centrat en la tècnica de la calorimetria diferencial i un altre analític que estableix les principals transformacions físico-químiques des del punt de vista energètic, a partir de l'anàlisi mineralògic de les composicions de partida i del producte cuit. Aquestes metodologies s'han aplicat concretament a set composicions ceràmiques: quatre de taulells ceràmics (gres roig, gres porcelànic, taulell porós roig i taulell porós blanc), dues de ceràmica estructural (rajola blanca i teula blanca) i una composició de vaixella de porcellana. L'estudi de les diferents composicions mostra que la calor de reacció a les composicions de ceràmica tradicional ve determinat fonamentalment per la descomposició tèrmica dels carbonats alcalinoterris presents en la composició, així com per la deshidroxilació dels minerals argilosos (especialment de la caolinita), pel fet que són processos fortament endotèrmics. També s'ha verificat que petites quantitats de matèria orgànica en la composició tenen gran influència en el resultat de la calor de reacció, pel fet que les reaccions de combustió de la matèria orgànica són altament exotèrmiques. A la segona part del treball, i a partir de la bibliografia consultada, s'ha constatat que l'anàlisi energètic dels forns industrials de cocció de materials ceràmics està normalment centrat en el primer principi de la termodinàmica, és a dir, en la llei de la conservació de l'energia, que quantifica per igual tota l'energia, sense tenir en compte la seua qualitat ni degradació durant la seua transformació. La informació que aporten aquests balanços està limitada pel fet que no valoren la qualitat de l'energia aportada ni la de l'energia romanent, ja que és molt important per establir possibles aprofitaments posteriors. En aquest sentit, en el treball desenvolupat s'ha aplicat una completa metodologia d’anàlisi energètic en un forn industrial dedicat a la fabricació de taulells ceràmics de gres porcelànic Per a això, a més dels balanços de matèria i d'energia -que en aquests equips realment es limiten a un balanç d'entalpia i de calor, utilitzant el primer principi de la termodinàmica-, s’han realitzat els balanços d'entropia i exergia aplicant el segon principi de la termodinàmica. Per realitzar aquests balanços addicionals s'ha desenvolupat una metodologia adaptada a aquests equips industrials a partir dels principis de la termodinàmica tècnica. L'aplicació d'aquests balanços permet obtenir una informació més detallada del comportament energètic d'aquests equips. Així és possible conèixer i quantificar les principals fonts d'irreversibilitat en el procés de cocció i establir amb precisió la quantitat i qualitat de l'energia aportada i consumida. Per obtenir una anàlisi més exhaustiva, en la metodologia desenvolupada en aquest treball, el forn s'ha dividit en dues zones, - escalfament-cocció i refredament- de manera que tots els balanços s'han aplicat al forn complet, i a cadascuna d'aquestes dues zones. A més, per identificar amb més detall les fonts de generació d'entropia (destrucció d'exergia) al forn, s'ha realitzat una anàlisi dels principals processos que tenen lloc dins d'aquestes zones del forn. Els resultats de l'estudi han mostrat que el rendiment en la cocció de gres porcelànic al forn monoestrat està principalment afectat per l'exergia destruïda en la combustió del gas natural, en les transformacions físico-químiques del material, i en les transferències de calor. Dels resultats dels balanços es conclou que la exergia destruïda a causa de les irreversibilitats ascendeix a un 63% del total de l'exergia aportada al forn, mentre que només un 8,5% de l’exergia s'utilitza en les transformacions físico-químiques del material, i per tant quede al voltant d’un 28% d'exergia romanent susceptible de ser aprofitada. La localització i identificació de les irreversibilitats del forn han posat de manifest que per augmentar el rendiment del forn, s'han de controlar alguns dels paràmetres de funcionament, com són: l'excés d'aire de combustió, optimitzar el cabal específic d'aire emprat per al refredament de material o implementar algunes accions com la instal•lació de sistemes de recuperació energètica.

Most energy studies on the traditional ceramic manufacturing process focus on the firing stage because this is the process stage that consumes the greatest amount of thermal energy. At present in Europe, using typical technologies, about 50% of the energy input in the firing stage is lost through the kiln stacks. A key issue in the study of the firing stage, which has drawn little attention, is the determination of the energy efficiency of the process, an issue that may become crucial in coming years to enable the energy management of different facilities and products to be compared and to reduce the carbon dioxide emissions related to this stage, which mainly stem from energy consumption. To reliably establish energy efficiency, accurate determination is required of the energy needed for the necessary physico-chemical transformations to develop in the material during the firing stage. This energy is also the only strictly unrecoverable energy involved in the process, as the energy contained in other streams could, potentially at least, be partly recoverable. In the literature surveyed, however, it was observed that one of the main weaknesses in the study of the firing of ceramics was the lack of knowledge of the energy consumed in the physico-chemical transformations that take place during the firing of traditional ceramics, which exhibit complex chemical and mineralogical compositions. Consequently, in the first part of the study, the heat of reaction of the compositions customarily used in the traditional ceramics sector was determined by two methods: a fully experimental method based on differential calorimetry and an analytical method, based on establishing the main energy-related physical and chemical transformations from the mineralogical analysis of the starting compositions and of the fired product. These methodologies were applied to seven traditional ceramic compositions: four ceramic tile compositions (red-body stoneware tile, porcelain tile, red-body earthenware wall tile, and white-body earthenware wall tile), two structural ceramic compositions (white-body brick and white-body roofing tile), and a porcelain tableware composition. The study of the different compositions showed that the heat of reaction in traditional ceramics compositions stemmed fundamentally from the thermal decomposition of the alkaline-earth carbonates in the composition and from the dehydroxylation of the clay minerals (particularly kaolinite), as strongly endothermic processes are involved. It was also verified that small quantities of organic matter in the composition had a great influence on the result of the heat of reaction, because organic matter combustion reactions are highly exothermic. In the second part of the study, it was found, based on the literature surveyed, that the energy analysis of industrial kilns used in firing ceramic materials is usually grounded on the first principle of thermodynamics, i.e. on the law of the conservation of energy, which quantifies all energy identically, without taking into account energy quality or degradation during energy transformation. The information that these balances provide is limited by the fact that they do not evaluate the quality of the energy input or the quality of the remaining energy, which is of great importance when it comes to establishing possible subsequent energy recovery. In this sense, in the study conducted, a comprehensive energy analysis methodology was applied to an industrial porcelain tile firing kiln. To do so, in addition to the mass and energy balances – which in these facilities are in fact limited to a heat and enthalpy balance, using the first principle of thermodynamics – the entropy and exergy balances were drawn up, applying the second principle of thermodynamics. In order to draw up these additional balances it was necessary to develop a methodology adapted to these industrial facilities grounded on the principles of technical thermodynamics. The application of these balances allows more detailed information on the energy performance of these facilities to be obtained. This enabled the main sources of irreversibility in the firing process to be determined and quantified, and the quantity and quality of energy input and consumption to be precisely established. For further analysis in the methodology developed in this study, the kiln was divided into two zones: a heating–firing zone and a cooling zone. All balances were thus applied to the entire kiln and to each of these zones. In addition, to identify in greater detail the sources of entropy generation (exergy destruction) in the kiln, the main processes that developed in these kiln zones were analysed. The results of the study show that energy efficiency in firing porcelain tile in the single-deck roller kiln was mainly affected by the exergy destroyed in natural gas combustion, in the physico-chemical transformations of the material, and in heat transfers. The results of the balances indicated that the exergy destroyed because of the irreversibilities accounted for 63% of the total exergy input into the kiln, while only 8.5% of the exergy was used in the physico-chemical transformations of the material, about 28% of the exergy left remaining available for recovery. The location and identification of the irreversibilities in the kiln indicate that in order to increase kiln energy efficiency, some operating parameters need to be controlled, such as excess combustion air, optimisation of the specific volume flow rate of the air used in cooling the material, and the implementation of actions such as the installation of energy recovery systems.