BALANCE DE ENERGÍA Y COGENERACIÓN EN PLANTA DE CEMENTO La industria del cemento es una industria intensiva en consumo de energía alrededor de 4 GJ por tonelada de cemento producida. Un análisis termodinámico de cogeneración que utilice el calor de los flujos de residuos no está fácilmente disponible. Los datos de un trabajo 1 Mt por planta al año en la India se utiliza para obtener un balance de energía para el sistema y se dibuja un diagrama de Sankey. Se ha encontrado que alrededor del 35% de la energía de entrada se está perdiendo con el calor los flujos de residuos. Un ciclo de vapor se selecciona para recuperar el calor de los arroyos con una recuperación del calor residual del generador de vapor y se estima que alrededor de 4,4 MW de electricidad puede ser generada. Esto representa alrededor del 30% de las necesidades de electricidad de la planta y una mejora del 10% en la eficiencia de energía primaria de la planta. El periodo de recuperación para el sistema se encuentra a un plazo de dos años.
1.
Introducción
La industria del cemento es una industria intensiva en energía. En India, la industria representa el 10,3% del consumo total de combustible en el sector de fabricación. Los costos de energía representan aproximadamente el 26% del coste de fabricación de cemento. En términos del consumo de energía primaria de alrededor del 25% de la energía de entrada es la electricidad mientras que el 75% es energía térmica. El consumo específico de energía varía de cerca de 3,40 GJ/t para el proceso de seca a cerca de 5,29 GJ/t para el proceso húmedo. Las mejores prácticas de consumo específico de energía energía en la India India es 3,06, mientras GJ/t en algunos países del mundo que es inferior a 2,95 GJ/t. El mayor consumo específico de energía en la India se debe en parte a la materia prima más difícil y la mala calidad del combustible. Recuperación del calor residual de los gases calientes en el sistema ha sido reconocida como una opción potencial para mejorar la eficiencia energética. Sin embargo, hay pocos análisis termodinámicos detallados de plantas de cemento de funcionamiento que evalúan la opción de recuperación del calor residual. En este trabajo se acumula un balance de energía para una planta en operación y las estimaciones de la potencia que pueden ser generados por el calor los flujos de residuos. El proceso de fabricación de cemento se puede dividir en tres pasos básicos, la preparación de las materias primas, piro-procesamiento para producir el clinker y molienda de clínker y la mezcla con otros productos para hacer cemento. Las materias primas obtenidas de la cantera se trituran, muelen y se mezclan como una mezcla en el proceso húmedo y un polvo en el proceso seco. Esta mezcla se introduce en un calcinador y precalentamiento antes de introducirlo en el horno, por piro-procesamiento (formación de escoria). El horno alcanza temperaturas superiores a 1450 °C. Los nódulos de clinker producido y cualquier anuncio-división luego se bajan a la fineza deseada en el molino de cemento. Piro-procesamiento consume el 99% de la energía del combustible mientras que la electricidad se utiliza principalmente para operar tanto de las materias primas (33%) y clinker (38%), equipos de trituración y molienda. Piroprocesamiento requiere otro 22% de la electricidad por lo que es el paso más consumidor de energía del proceso de producción.
3. Balance de masa El flujo de datos obtenidos a partir de la planta se utiliza para realizar un balance de masa sobre el sistema. Las siguientes reacciones se sabe que se producen en el sistema: las reacciones de calcinación CaCO3
CaO + CO2
MgCO3
MgO + CO2
Asumiendo combustión completa de carbón: C + O2 CO2 4H + O2 2H2O S + O2 SO2 Cálculos estequiométricos se utilizan para llegar a la velocidad de flujo de los otros cursos de agua. La composición del precalentador de escape que se sabe y un equilibrio de las especies de nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono proporciona el caudal de los gases de escape. La composición y el caudal de la alimentación de materia prima se estiman a partir de la composición de clínker y las reacciones. Los caudales final de las diferentes corrientes se resumen en la figura. 5.
Fig. 5. Tasas de flujo másico de diferentes corrientes en el sistema
BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA DEL PROCESO DE PRODUCCION DE CEMENTO. Para la producción de una tonelada de cemento en por vía seca, se registran las siguientes entradas y salidas. Los datos presentados son calculados por el Grupo de Investigación del Convenio UIS-IDEAM, a partir de información bibliográfica y de campo. ENTRADAS MASICAS AL PROCESO
SALIDAS MASICAS DEL PROCESO
Caliza = 1.4112 Ton
Cemento = 1.040198 Ton
Arcilla = 0.1848 Ton
Vapor de agua = 0.172815 Ton
Min de Hierro = 0.084 Ton
Polvo = 0.130671 Ton
Carbón = 0.2 Ton
CO2 = 1.005756 Ton
Aire = 1.861378 Ton
N2 = 1.40625 Ton
Yeso = 0.06 Ton
O2 = 0.03856 Ton SO2 = 0.0068 Ton
Fuente: Cálculos UIS-IDEAM
DIAGRAMA BALANCE DE MASA VIA SECA
Para la producción de una tonelada de cemento por vía húmeda en la elaboración de cemento, se registran las siguientes entradas y salidas: ENTRADAS MASICAS AL PROCESO
SALIDAS MASICAS DEL PROCESO
Caliza = 1.46723 Ton
Cemento = 1.2947 Ton
Arcilla = 0.2093 Ton
Polvo = 0.084 Ton
Min de Hierro = 0.06978 Ton
Vapor de agua = 1.2558 Ton
Gas natural = 0.1787 Ton Aire = 3.212 Ton
CO2 = 1.0937 Ton N2 = 2.4267 Ton
Agua = 0.74748 Ton
O2 = 0.0351 Ton
Yeso = 0.06 Ton Puzolana = 0.0242 Ton Agregado 1 = 0.195 Ton Agregado 2 = 0.0263 Ton
Fuente: Cálculos UIS-IDEAM
DIAGRAMA BALANCE DE MASA VIA HUMEDA
Consumo Energético. E n l a m o l i e n d a . Casi el 85 % del total de la energía invertida en la producción de cemento,
corresponde al desmenuzamiento y a la molienda de las materias primas y del cemento ; aproximadamente el 75% sólo a la molienda. El nivel del grado de eficiencia de la molienda es objeto de controversia, según la definición que se adopte. De acuerdo con interpretaciones muy diversas, la energía que el molino requiere para transformarla en trabajo de desmenuzamiento queda situada entre el 2% y el 20% ; el resto se distribuye en rozamiento de las partículas entre sí, rozamiento de las partículas con las paredes del molino, ruido, calor, vibración, rendimientos del motor y del molino y elevación del material en el molino. El grado de utilización de energía suministrada, teóricamente baja, ofrece más interés en el proyecto de los dispositivos de molienda, que para explotación práctica, en la cual la energía aplicada en la molienda se puede considerar baja en relación con las ventajas del resultado tecnológico que con ella se obtiene. E n d e s m e n u z am i e n t o . La exigencia específica de trabajo en el proceso de desmenuzamiento,
es decir, la energía aplicada por tonelada de material subdividido, es esencialmente más baja en la molienda grosera que en la molienda fina. Sin embargo, si se compara el trabajo aplicado con la superficie creada, se comprueba todo lo contrario. En separadores po r aire. El consumo específico de energía de los separadores por aire
depende de las propiedades de material tratado, del caudal circulante y también de la finura final deseada. Se han dado cifras que van desde 2 a 6 kwh/t de producto fino. En este dato también se incluyen los separadores que reciben el aire de operación desde el exterior. E n h o r n o s . La energía eléctrica consumida por los hornos largos para vía húmeda es de 14-22
kwh/t, limitada al tramo comprendido desde la extracción de la pasta del silo de alimentación, hasta la salida del clincker del enfriador de parrilla. Todos los hornos largos para vía húmeda cuentan con intercambiadores de calor interno ( la mayoría de ellos son cadenas), para acelerar el secado de la pasta. En la siguiente tabla se presenta el balance térmico simplificado de un horno largo vía seca provisto con intercambiador de calor por suspensión de un tramo y con enfriador de satelites :
Balance térmico de un horno largo vía seca con intercambiador de calor y con enfriador de satélites. kcal/ kg clinker Cocción del clinker
420
Evaporación de agua
4
Pérdidas con los gases residuales
223
Calor residual con el clinker
22
Aire residual del enfriador
0
Tubo del horno
104
Intercambiador
10
Enfriador
66
Resto (no determinado)
48
Fuente: Cemento, fabricación propiedades y aplicaciones. Firtz Keil, Editorial técnico asociados.
La temperatura de los gases residuales es de 370 oC y el consumo específico de calor, 897 kcal /kg de clinker. E n e n f r i ad o r e s . El enfriador planetario eleva el consumo de energía del horno y del exhaustor.
El requerimiento de energía adicional del horno se determina con la fórmula.
K= 0.03*L en la que : k= consumo específico, en kwh/t de clinker. L= Longitud de los tubos del enfriador planetario. En la siguiente tabla se listan las características y balances térmicos de enfriadores planetarios . En esta tabla se han destacado las pérdidas de calor por las paredes, que suponen el 26-27 % de las cantidades de calor entradas en el enfriador.
Características y balance térmico de enfriadores planetarios.
Caudal del horno Consumo específico de Calor
HORNOS LARGOS VÍA SECA
HORNOS CON INTERCAMBIADOR
t/24h
1100
2200
kcal/kg
870
750
11
11
1.65*12
1.80*18
Número de tubos enfriados Diámetro * Longitud Temperaturas
m
Entrada de Clinker
o
1200
1250
Salida de Clinker
o
C
139
135
Clinker Cesiones de calor
kcal/kg
291
307
Aire secundario
kcal/kg
189
205
Calor residual en el clinker
kcal/kg
23
22
Pérdidas de calor por la "piel"
kcal/kg
79
80
Pérdidas totales de calor
kcal/kg
102
102
%
65
67
C
Entradas de Calor
Rendimiento
Fuente: Cemento, fabricación propiedades y aplicaciones. Firtz Keil, Editorial técnico asociados.
En la siguiente tabla se relacionan las características y el balance térmico de un enfriador Fuller de parrilla del tamaño 825/1050; el horno dispone de intercambiador de ciclones. El caudal del horno rotatorio es de 1934 t/24h.
Características y balance térmico de un enfriador de parrilla Fuller. 1
Temperaturas
Unidad
Cuantía
Clinker a la entrada
o
1460
Clinker a la salida
o
83
Aire de enfriamiento
o
22
Aire secundario
o
920
Aire residual
o
158
Aire de tramo medio
o
374
2
C C C C C C
Exceso de aire
1.056
3. Cantidades de aire referidas al clinker Aire primario
Nm3/kg
0.034
Aire de enfriamiento
Nm3/kg
2.312
Aire secundario
Nm3/kg
0.842
Aire residual
Nm3/kg
0.889
Aire de tramo medio
Nm3/kg
0.581
4 Cantidades de calor referidas al clinker Consumo de calor en el horno
kcal/kg
750
Balance térmico del enfriador referido a 20 oC Entradas Clinker
kcal/kg
383
Aire de enfriamiento
kcal/kg
1
Total
kcal/kg
384
Aire secundario
kcal/kg
257
Aire residual
kcal/kg
40
Aire residual del ramo medio
kcal/kg
71
Calor residual en el clinker
kcal/kg
12
Pérdidas de calor por la "piel"
kcal/kg
4
Total perdidas de calor
kcal/kg
127
Salidas
5
Rendimiento del enfriador Con utilización de aire de tramo medio
67.1 85.6
Fuente: Cemento, fabricación propiedades y aplicaciones. Firtz Keil, Editorial técnico asociados.
6. Conclusión Los datos recogidos de un monte una fábrica de cemento por año de trabajo se utilizó para llegar a un balance de energía para la unidad piro-procesamiento. El diagrama de Sankey reveló que la eficiencia de las unidades de precalentador y calcinador es alta. La eficiencia térmica global de la planta se encontró que el 50% y está cerca de las mejores prácticas con las limitaciones tecnológicas actuales. El calor residual se estimó en 35% de la energía de entrada. Un ciclo de vapor de adaptación ha sido seleccionado y de la planta considerada alrededor de 4,4 MW de potencia pueden ser generados por el calor los flujos de residuos. Esto representó una mejora de alrededor del 10% en términos de eficiencia de energía primaria de la planta. Alrededor del 30% de las necesidades de energía de la planta por lo tanto pueden ser atendidas desde el sistema de cogeneración. Extrapolando a la producción de cemento en la India este ofrece un potencial de alrededor de 450 MW y es una opción económicamente viable para las plantas de cemento.
Referencias
