Resumen de Análisis energético y exergético del proceso de cocción de composiciones cerámicas
RESUMEN 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.
