Cocción de materiales base arcilla con biogás o gas de vertedero en hornos túnel

M.C. Miguel Humberto Bocanegra Bernal Centro de Investigación en Materiales Avanzados (CIMAV) CICDECH Año 31, Núm. 190/mayo - junio 2023

Una de las alternativas para la cocción de materiales cerámicos base arcilla en hornos túnel es el uso de biogás o gas de vertedero. Este tipo de gas es obtenido de los desperdicios urbanos depositados en el mismo y que son debidamente controlados. El biogás está compuesto por una mezcla de metano y dióxido de carbono producido por microorganismos en ausencia de aire.

El proceso tecnológico para la producción del biogás está basado en la bio-metanización que es una técnica orientada a producir biogás a partir de la materia orgánica, utilizando micro-organismos. La generación es producida espontáneamente de los residuos. Es importante recalcar que, por razones de seguridad, el biogás debe ser recolectado por medio de una red colectiva a todo lo largo del vertedero. Por lo tanto, el biogás, ocasionalmente, se quema en una antorcha, pero en la mayoría de los casos es utilizado como fuente de energía. Las grandes ventajas del biogás se enuncian a continuación:

1.- Alto potencial para la reducción de gases de efecto invernadero.

2.- Altamente eficiente para la generación combinada de energía y calor en la instalación.

3.- El sustrato restante se utiliza como fertilizante agrícola de alta calidad, caracterizado por su ácido neutralizado, mayor valor de pH, nutrientes retenidos y sin olor (https://www.innio.com/es).

En el vertedero, el gas es retenido por una cubierta, misma que se encuentra en ausencia de agua y oxígeno y es extraído por medio de bombas. La primera parte del proceso, el sellado, consiste en la aplicación al terreno de toda una serie de capas superpuestas y que son formadas por diferentes materiales con el fin de asegurar el confinamiento de los residuos y especialmente del gas producido, evitando así su difusión a la atmósfera, proporcionando la infraestructura necesaria para que los demás elementos permitan el siguiente proceso de desgasificación, tratamiento y transporte del gas. Esta segunda parte del proceso, deberá de controlar la composición de biogás (CH4, O2 y H2S), sus caudales, la presión de extracción e impulsión, así como el sistema de tratamiento y almacenamiento.

Una alternativa al sistema disponible para obtener biogás desde los residuos se lleva a cabo a través de las plantas de gasificación y digestión, las cuales tratan anaeróbicamente estiércol, desperdicios de la cocina, del jardín, residuos de mercado y mataderos, grasas y otros sustratos o biomasa.

Cuando el biogás producido es usado para la producción de electricidad, hay un potencial añadido al obtener agua caliente y vapor a partir de los gases de escape del motor y de los sistemas de enfriamiento. Esta combinación puede proporcionar una eficacia de la conversión global del 60 % o más. Sin embargo, en la aplicación del biogás para secar y cocer ladrillos base arcilla, el rendimiento puede llegar hasta casi el 100 % dependiendo de la calidad de combustión del horno, lo que lo hace muy beneficioso para la eficiencia de producción.

Combustión del biogás

La combustión del gas obtenido en este proceso, tiene dos características que habrán de condicionar el diseño de la instalación de combustión necesaria para la cocción de ladrillos y ellas son: el nivel de metano (CH4) y el contenido de H2S.

Es bien conocido que el valor energético del biogás es función principal del contenido de metano (CH4) y de dióxido de carbono (CO2), los cuales a su vez dependen de la composición del residuo, desde el cual el biogás es generado.

Es de suma importancia tener en cuenta que el valor de H2S afecta a los materiales de fabricación de la instalación de cocción. Por ello, cuando el sulfhídrico combustiona, produce ácidos que corroen las superficies metálicas, y por tanto, el biogás podría tratarse antes de su uso para efectos de aumentar la seguridad y fiabilidad de la instalación.

Los procesos de depuración pueden ser por absorción física en medios sólidos (carbono activo) o dentro de un líquido (agua depurada). La composición del gas obtenido permitirá calcular los parámetros de combustión para el gas de vertedero. En la Tabla 1 se recopilan los valores más importantes del biogás obtenido. El biogás obtenido del vertedero contiene los siguientes valores de metano:

• 45 % CH4: Valor conservador del proyecto.

• 47-49 % CH4: Valor medido (punto de conexión).

• 55-57 % CH4: Valor estándar.

Sin embargo, la Tabla 2 ilustra otros componentes producidos que habrá que tener en cuenta a la hora de llevar a cabo la cocción de materiales cerámicos base arcilla.

Una comparación de los principales parámetros del gas de vertedero y el gas natural se puede apreciar en la Tabla 3. De esta tabla se habrán de extraer los valores necesarios para llevar a cabo la selección de los quemadores del horno túnel. En razón de lo anterior es muy importante obtener la mayor claridad en los cálculos a fin de obtener los parámetros más exactos posible y así evitar inconvenientes durante el proceso de cocción o alternativamente de secado cuando el gas de vertedero se utilizará para tal fin.

Tabla 3. Cuadro comparativo de valores correspondientes a gas de vertedero y gas natural, mismos a tener en cuenta para la selección del equipo de quemadores (Massaguer, A., Amposta Santi Guía de Secado y Cocción. Guía de Secado y Cocción, Beralmar Technologic S.A.).

Instalación de combustión

Con base en la información obtenida y extraída de la Tabla 3, se habrá de proceder a diseñar la instalación de cocción del horno, en este caso sería un horno túnel. Habrá que tener en cuenta lo siguiente:

1.- Los productos de combustión son similares, y el % S producido por el H2S de la composición es despreciable.

2.- El aire requerido para la combustión es diferente para cada tipo de gas a utilizar lo que significa que el exceso de aire será variable cuando el cambio de combustible es llevado a cabo (en caso de combustiones con diferentes combustibles).

3.- El Poder Calorífico Inferior (PCI) de los combustibles tiene una relación muy aproximada a 2:1.

4.- La presión que se requiere para cada tipo de combustible es variable.

5.- La intercambiabilidad de combustibles es un tema considerado de suma importancia debido a las condiciones experimentales de cada proyecto.

La instalación de combustión deberá ser diseñada de forma tal que, si llegara a existir algún problema en la línea del biogás como por ejemplo la interrupción de su suministro, puntas de consumo, variación del PCI, el gas natural pueda ser suministrado inmediatamente sin variación de las condiciones del horno.

En razón de lo anterior, los aspectos que deben ser considerados para garantizar el correcto cambio de gas son:

• El índice Wobbe (Wo), mismo que es utilizado para evaluar el valor del PCI, respecto a las dimensiones de las tuberías, inyectores, válvulas, entre otros, de los quemadores. Sí una mezcla de gas natural - aire con el mismo Wo que el gas del vertedero al que sustituiría se aplica a la instalación, no cambiarían ni el tamaño ni la regulación de los componentes, válvulas y tuberías de cada grupo de quemadores.

• La estabilidad del quemador instalado es función de velocidad de la llama y límites de inflamabilidad. La sustitución de combustibles debe respetar el adecuado ratio aire/gas para el encendido.

Referencias: https://www.innio.com/es

Massaguer, A., Amposta Santi Guía de Secado y Cocción. Beralmar Tecnologic, S.A. Manuel Márquez Martínez. Combustión y quemadores. Marcombo, 1989.