UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERÍA EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL
PROYECTO FIN DE CARRERA
ESTUDIO ECONÓMICO AMBIENTAL DE
LA REDUCCIÓN DE EMISIONES EN
UNA PLANTA CEMENTERA POR LA
COMBUSTIÓN DE BIOMASA
JORGE JUAN GÓMEZ RIVAS
MADRID, junio de 2007
Índice
i
Índice
Capítulo 1.- Introducción y planteamiento del proyecto
1.1. Introducción
1.2. Antecedentes históricos
1.2.1. Historia del cemento Pórtland
1.3. Enfoque global y situación nacional
1.4. Planteamiento.
Capítulo 2.- Proceso de producción y biomasa a utilizar
2.1. Descripción del proceso de producción del cemento
2.1.1. Introducción
2.1.2. Obtención de materias primas: extracción y trituración
2.1.3. Almacenamiento y preparación de las materias primas
2.1.4. Molienda de las materias primas para la obtención de crudo
2.1.5. Almacenamiento y preparación de los combustibles
2.1.5.1. Almacenamiento de combustibles
2.1.5.2. Preparación de los combustibles
2.1.5.3. Empleo de residuos como combustible
2.1.5.3.1. Condiciones termoquímicas de los hornos de clínquer
2.1.5.3.2. Limitaciones a la sustitución con combustibles
alternativos
2.1.5.3.3. Preparación de combustibles alternativos
2.1.5.3.4. Manipulación de residuos y alimentación al horno
2.1.6. Cocción de las materias primas para la obtención de clínquer.
Calentamiento del horno.
2.1.6.1. Hornos rotativos largos
2.1.6.2. Hornos rotativos equipados con precalentadores
2.1.6.2.1. Tecnología del precalentador de parrilla
2.1.6.2.2. Tecnología del precalentador de suspensión
2.1.6.3. Hornos rotativos con precalentador y precalcinador
2.1.6.4. Gases de salida del horno
Índice
ii
2.1.6.5. Enfriadores de clínquer
2.1.6.5.1. Enfriadores rotativos
2.1.6.5.2. Enfriadores de parrilla
2.1.6.5.3. Enfriadores verticales
2.1.7. Almacenamiento de clínquer y Molienda de cemento
2.1.7.1. Almacenamiento del clínquer
2.1.7.2. Molienda de cemento
2.1.7.2.1. Pesaje y dosificación de la alimentación del molino
2.1.7.2.2. Molienda
2.1.7.2.3. Adiciones
2.1.7.2.4. Separación por distribución granulométrica de las
partículas
2.1.8. Almacenamiento y expedición
2.1.8.1. Almacenamiento
2.1.8.2. Expedición
2.2. Características y disponibilidad de la biomasa a utilizar
2.2.1. Características de la biomasa
2.2.2. Disponibilidad de la biomasa
2.2.2.1. Comarcas
2.2.2.2. Disponibilidad total de biomasa en las comarcas de estudio
Escenario I
Escenario II
Escenario III
Escenario IV
Resumen
2.2.3. Tecnologías de obtención de biomasa (cultivos energéticos) ysu
disponibilidad temporal
2.2.4. Conclusiones
Capítulo 3.- Descripción del modelo desarrollado
3.1.- Objetivos
3.1.1. Introducción
Índice
iii
3.1.2. Diagrama de proceso general de la planta cementera en estudio
3.1.3. Diagrama de proceso objeto del proyecto
3.1.4. Metodología de trabajo
3.2.- Datos de la distribución de temperatura en las diferentes etapas del proceso
3.2.1. Necesidad del estudio de la distribución de temperaturas
3.2.2. Entradas y salidas
3.2.3. Reacciones.
3.2.4. Transmisión de calor
3.2.5. Generalidades del balance térmico
3.2.6. Conclusiones
3.3.- Descripción del proceso de cálculo
3.3.1. Balance térmico.
3.3.1.1. Alimentación al horno
3.3.1.2. Combustible
3.3.1.2.1. Comentarios relativos al combustible en la situación de
referencia.
3.3.1.2.2. Comentarios relativos al combustible en la situación
con biomasa
3.3.1.2.3. Puntos de inyección de combustible
3.3.1.2.4. Proceso de combustión
3.3.1.3. Aire seco total introducido para la combustión.
3.3.1.4. Otras entradas de calor posibles
3.3.1.5. Clinquerización
3.3.1.6. Evaporación de humedad
3.3.1.7. Gas de salida de precalentador:
3.3.1.8. Polvo de salida de precalentador
3.3.1.9. Gas del bypass y Polvo del bypass
3.3.1.10. Gas (aire) de salida de enfriador
3.3.1.11. Clínquer de salida del enfriador
3.3.1.12. Radiación y convección
3.3.2. Emisiones atmosféricas
3.3.2.1. Visión global
3.3.2.2. Óxidos de nitrógeno
3.3.2.3. Dióxido de azufre
Índice
iv
3.3.2.4. Partículas
3.3.2.5. Óxidos de carbono (CO2 , CO)
3.3.2.6. Otras emisiones
3.4.- Modelo en la situación de referencia y en la situación con biomasa
3.4.1. Balance térmico en la situación de referencia
3.4.2. Balance térmico en la situación con biomasa
3.4.3. Emisiones en la situación de referencia
3.4.4. Emisiones en la situación con biomasa
Capítulo 4.- Estudio económico del empleo de biomasa
4.1. Economía actual del proceso de producción
4.2. Economía con la introducción de la biomasa
4.2.1. Cantidades de biomasa a introducir sin alterar el proceso
4.2.2. Coste de la biomasa
4.2.3. Comercio de emisiones: beneficios por la reducción de
emisiones
4.2.4. Coste de adaptación de la biomasa al proceso de producción
4.3. Valoración económica.
Capítulo 5.- Análisis de resultados
5.1.- Resultados del modelo en la situación de referencia y en la situación
con biomasa
5.2.- Análisis de sensibilidad
5.2.1. Combustible vs calor sustituido
5.2.2. Combustible vs pérdidas de calor por humedad
5.2.3. Precios de biomasa y no emisión de CO2
Capítulo 6.- Conclusiones
6.1.- Conclusiones sobre la metodología y los resultados
6.2.- Recomendaciones para futuros estudios
Índice
v
Bibliografía
Apéndices
Apéndice 1: Estequiometría
Apéndice 2: Características dimensionales del modelo del horno
Apéndice 3: Tiempo de residencia
Apéndice 4: Grado de llenado del horno
Apéndice 5: Conceptos generales de transmisión de calor
Apéndice 6: Radiación
Apéndice 7: Convección
Apéndice 8: Caudal de gases de combustión
Apéndice 9: Temperatura de llama
Apéndice 10: Longitud de llama
Apéndice 11: Exclusión de un by pass en el horno.
Apéndice 12: Procesos de fabricación.
Introducción y planteamiento del proyecto
1
1INTRODUCCIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO
Introducción y planteamiento del proyecto
2
1.1. INTRODUCCIÓN
El cemento se fabrica a partir de una mezcla de clínquer y yeso que actúa como
controlador de fraguado.
En el presente proyecto se estudiará con detalle el proceso de obtención del clínker y
cómo y en que cantidad puede introducirse la biomasa en el proceso de combustión que
se encuentra ligado a la clinquerización o formación del clínker.
El cemento es un material inorgánico, no metálico, finamente molido que cuando se
mezcla con agua y áridos forma una pasta que fragua y endurece (morteros y
hormigones).
Este endurecimiento hidráulico se debe principalmente a la formación de silicatos
cálcicos hidratados como resultado de una reacción entre el agua y los constituyentes
del cemento. Esta propiedad de conglomerante hidráulico le ha convertido en un
material básico de construcción, imprescindible para la edificación y la realización de
infraestructuras.
De todos los conglomerantes hidráulicos el cemento Pórtland y sus derivados son los
más empleados en la construcción debido a estar formados, básicamente, por mezclas de
caliza, arcilla y yeso que son minerales muy abundantes en la naturaleza, ser su precio
relativamente bajo en comparación con otros materiales y tener unas propiedades muy
adecuadas para las metas que deben alcanzar.
Dentro de los conglomerantes hidráulicos entran también los cementos de horno alto,
los puzolánicos y los mixtos, teniendo todos éstos un campo muy grande de empleo en
hormigones para determinados medios, así como los cementos aluminosos "cementos de
aluminato de calcio", que se aplican en casos especiales.
Los cementos se emplean para producir morteros y hormigones cuando se mezclan con
agua y áridos, naturales o artificiales, obteniéndose con ellos elementos constructivos
prefabricados o construidos "in situ".
Introducción y planteamiento del proyecto
3
1.2. ANTECEDENTES HISTÓRICOS
Hace 5.000 años aparecen al norte de Chile las primeras obras de piedra unidas por un
conglomerante hidráulico procedente de la calcinación de algas (génesis de la expresión
“cerrado a cal y canto”), estas obras formaban las paredes de las chozas utilizadas por
los indios.
[Fuente: Oficemen]
Los egipcios emplearon morteros de yeso y de cal en sus construcciones monumentales.
En Europa, el empleo de cementos naturales (en algunos casos sometidos a tratamientos
térmicos primarios) en construcción se remonta a la antigüedad.
En Troya y Micenas, dice la historia que, se emplearon piedras unidas por arcilla para
construir muros, pero, realmente el hormigón confeccionado con un mínimo de técnica
aparece en unas bóvedas construidas cien años antes de J.C.
Los romanos dieron un paso importante al descubrir un cemento que fabricaban
mezclando cenizas volcánicas con cal viva. En Puteoli conocido hoy como Puzzuoli se
encontraba un depósito de estas cenizas, de aquí que a este cemento se le llamase
"cemento de puzolana".
Con hormigón construye Agripa en el año 27 antes de J.C. el Panteón en Roma, que
sería destruido por un incendio y reconstruido posteriormente por Adriano en el año 120
de nuestra era y que, desde entonces, desafió el paso de tiempo sin sufrir daños hasta el
año 609 se transformó en la iglesia de Santa María de los Mártires. Su cúpula de 44
metros de luz está construida en hormigón y no tiene más huecos que un lucernario
situado en la parte superior.
.
Introducción y planteamiento del proyecto
4
1.2.1. HISTORIA DEL CEMENTO PORTLAND
Hasta el siglo XVIII puede decirse que los únicos conglomerantes empleados en la
construcción fueron los yesos y las cales hidráulicas, sin embargo, es durante este siglo
cuando se despierta un interés notable por el conocimiento de los cementos.
John Smeaton, ingeniero de Yorkshire (Inglaterra), al reconstruir en 1758 el faro de
Eddystone en la costa de Cornish, se encuentra con que los morteros formados por la
adición de una puzolana a una caliza con alta proporción de arcilla eran los que mejores
resultados daban frente a la acción de las aguas marinas y que la presencia de arcilla en
las cales, no sólo las perjudicaba sino que por el contrario, las mejoraba, haciendo que
estas cales fraguasen bajo el agua y que una vez endurecidas fuesen insolubles en ella.
[Fuente: Oficemen]
Puede decirse con acierto que el primer padre del cemento fue Vicat a él se debe el
sistema de fabricación que se sigue empleando en la actualidad y que propuso en 1817.
Vicat fue un gran investigador y divulgador de sus trabajos; en 1818 publicó su
"Recherches experimentales" y en 1928 "Mortiers et ciments calcaires". En estos
trabajos marca la pauta a seguir en la fabricación del cemento por medio de mezclas
calizas y arcillas dosificadas en las proporciones convenientes y molidas conjuntamente.
El sistema de fabricación que empleó Vicat fue el de vía húmeda y con él marcó el
inicio del actual proceso de fabricación.
Este gran científico en 1853 empieza a estudiar la acción destructiva del agua de mar
sobre el mortero y hormigón.
Introducción y planteamiento del proyecto
5
En 1824, Joseph Aspdin, un constructor de Leeds en Inglaterra, daba el nombre de
cemento Pórtland y patentaba un material pulverulento que amasado con agua y con
arena se endurecía formando un conglomerado de aspecto parecido a las calizas de la
isla de Portland.
Probablemente, el material patentado por Aspdin era una caliza hidráulica debido, entre
otras cosas, a las bajas temperaturas empleadas en la cocción.
En 1838 Brunel emplea por primera vez un cemento procedente de la fábrica de Aspdin
en el que se había logrado una parcial sinterización por elección de una temperatura
adecuada de cocción. Este cemento se aplicó en la construcción de un túnel bajo el río
Támesis en Londres.
[Fuente: Oficemen]
Puede decirse que el prototipo del cemento moderno fue producido a escala industrial
por Isaac Johnson quien en 1845 logra conseguir temperaturas suficientemente altas
para clínquerizar a la mezcla de arcilla y caliza empleada como materia prima.
El intenso desarrollo de la construcción de ferrocarriles, puentes, puertos, diques, etc.,
en la segunda mitad del siglo XIX, da una importancia enorme al cemento y las fábricas
de éste, especialmente las de cemento natural, empiezan a extenderse por doquier.
Es a partir de 1900 cuando los cementos Pórtland se imponen en las obras de ingeniería
y cuando empieza un descenso veloz del consumo de cementos naturales.
El cemento Pórtland fue patentado en 1824, y es el cemento más ampliamente empleado
en la actualidad en la construcción con hormigón.
Introducción y planteamiento del proyecto
6
Actualmente, el cemento Pórtland ha llegado a una gran perfección y es el material
industrializado de construcción de mayor consumo.
Se puede decir que el cemento es el alma del hormigón, yendo destinada, prácticamente,
toda su producción a enlazar piedras sueltas para crear el material pétreo que
conocemos como hormigón.
Las investigaciones llevadas a cabo por los padres del cemento Michaelis y Le
Chatelier, en 1870 y 1880, fueron fundamentales y muy meritorias para el desarrollo de
este material.
En ellas se apoya toda la investigación actual que emplea técnicas de análisis muy
sofisticadas y rápidas.
Introducción y planteamiento del proyecto
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1.3. ENFOQUE GLOBALY SITUACIÓN NACIONAL
El consumo y producción de cemento están directamente relacionados con la marcha del
sector de la construcción y, por tanto, con la coyuntura económica general.
En la figura siguiente se aprecia que la producción mundial de cemento ha crecido
progresivamente desde comienzos de los años 50, con una fabricación creciente en los
países en desarrollo, particularmente en Asia, que cuenta con la mayor parte del
crecimiento en la producción mundial de cemento en los años 90.
[Fuente: Cembureau]
En 2000 la producción mundial de cemento alcanzó los 1.670 Mt. Las tablas siguientes
muestra la distribución de la producción de cemento por regiones geográficas.
Introducción y planteamiento del proyecto
8
Producción mundial de cemento por regiones geográficas en 2000
[Fuente: Cembureau]
[Fuente: Oficemen]
En 2000, la producción de cemento en la Unión Europea totalizó 194,3 Mt y el consumo
de cemento alcanzó 190,7 Mt. Se importaron 24 millones de toneladas de cemento y se
exportaron 22,7 Mt, (incluido el comercio entre países de la Unión Europea.)
En la figura siguiente se muestran las cifras de consumo y de producción de cemento de
la Unión Europea.
Introducción y planteamiento del proyecto
9
Producción de cemento (incluido clínker para exportación) y consumo de cemento
Unión Europea en 2000.
[Fuente: Cembureau]
El comercio mundial de cemento supone tan sólo el 6%-7% de la producción, en su
mayoría transportado por mar. Hay generalmente poca importación y exportación de
cemento, principalmente como resultado del alto costo del transporte por carretera (los
suministros de cemento por carretera suelen ser por lo general a distancias no mayores
de 150 Km.). Aunque estos costes han hecho que históricamente los mercados del
cemento hayan sido predominantemente locales, la progresiva globalización de la
economía y la consiguiente desaparición de las trabas al comercio internacional suponen
un reto para la fabricación de cemento en la Unión Europea, que sufre la presión de
importaciones a bajo precio desde países de la cuenca mediterránea y de Europa del
este, e incluso desde países asiáticos.
Las cifras de producción en España en los últimos 25 años han evolucionado como
indica la siguiente figura, donde se observa la influencia sobre las mismas de la
coyuntura económica del país (crisis de principios de los 70, mediados de los 80, inicio
de los 90).
Introducción y planteamiento del proyecto
10
Producción de cemento en España 1975-2000 (miles de toneladas).
[Fuente: Oficemen]
En la siguiente tabla se refleja la evolución mensual de la producción de cementos en
España en 2004
Nótese que en España sólo se fabrican siete tipos de cemento blanco. Este tipo de
cemento se emplea en ciertos tipos de construcciones que requieren de un color blanco y
básicamente es igual que el gris pero en su proceso de fabricación se tiene un especial
cuidado en la selección de la calidad de las materias primas y combustibles para evitar
que se colore.
Introducción y planteamiento del proyecto
11
[Fuente: Oficemen]
Introducción y planteamiento del proyecto
12
[Fuente: Oficemen]
Introducción y planteamiento del proyecto
13
España, por su condición de país costero presenta mayores niveles de comercio
internacional de cemento, a través de las instalaciones portuarias, por lo que la industria
cementera española compite en un mercado global totalmente liberalizado.
Hay cerca de 300 plantas de fabricación de cemento existentes en la Unión Europea.
Las instalaciones de fabricación suelen ser integrales (plantas con hornos de clínker y
molinos de cemento), aunque en algunos casos cuentan únicamente con instalaciones de
molienda de cemento (sin horno de clínker).
Hay más de 400 hornos en los países de la UE, aunque no todos están en
funcionamiento de forma simultánea. La tendencia observada en el sector en los últimos
años ha sido incrementar la capacidad de producción de las fábricas, a la vez que se
cerraban las instalaciones más antiguas y de menor capacidad. La capacidad de
producción típica en las fábricas de la UE es de aproximadamente 3.000 t/día,
equivalente a algo más de 1.000.000 de t al año de producción.
En España el sector de la fabricación del cemento está constituido por 17* empresas
pertenecientes a 14* grupos.
La producción se realiza en 42* fábricas, de las cuales 6* son solamente de molienda.
Sus capacidades se sitúan entre las 200 a 10.000 t de cemento diarias. La distribución
geográfica de estas fábricas se puede apreciar en la siguiente figura. Existen 58* hornos
de clínker, distribuidos entre las 36* fábricas integrales existentes.
*DATOS DE 2004
Introducción y planteamiento del proyecto
14
Distribución geográfica de las fábricas de cemento en España en 2001.
[Fuente: Oficemen]
Los fabricantes de cemento de la UE han incrementado la producción de cemento por
hombre/año desde 1.700 t en 1970 a 3.500 t en 1991. Este incremento en la
productividad es el resultado de la incorporación progresiva de equipos de producción
de gran tamaño y muy automatizados. Estas instalaciones requieren menos personal,
pero más altamente cualificado. El número de personas empleadas en la industria del
cemento en la Unión Europea se cifra en cerca de 60.000, y en la española en cerca de
6.900.
La norma europea EN 197-1 de cementos comunes define las especificaciones de 27
tipos de cemento Pórtland, divididos en cinco grupos. Además de los anteriores, se
fabrican cementos especiales para aplicaciones particulares.
El cemento se emplea fundamentalmente en construcción de edificios e infraestructuras.
La siguiente tabla indica el consumo realizado en España en las cuatro áreas básicas.
Introducción y planteamiento del proyecto
15
Consumo de cemento en España por aplicación en 2000 (%)
[Fuente: Oficemen]
Además de la producción de cemento, las empresas cementeras se han diversificado
también en diversos subsectores de materiales de construcción tales como extracción de
áridos, plantas de hormigón, prefabricados, etc.
La industria del cemento es una industria intensiva en capital. La inversión necesaria
para la construcción de una fábrica de cemento equivale aproximadamente a la
facturación de tres años, lo que la convierte en una de las actividades industriales más
intensivas en capital.
Introducción y planteamiento del proyecto
16
1.4. PLANTEAMIENTO
Dada la importancia del consumo y producción de cemento y su directa relación con la
marcha del sector de la construcción y, por tanto, con la coyuntura económica general
resulta lógico el estudio tecnológico exhaustivo del proceso de producción del cemento.
Esta actividad de desarrollo tecnológico se encuentra ligada a todos los aspectos
relacionados en la producción.
Los costes de fabricación más importantes son los relacionados con el consumo de
energía (combustibles y electricidad), que se sitúan alrededor del 30% de los costes de
producción, y los de personal.
[Fuente: Oficemen]
El presente proyecto se centra en el empleo de combustibles alternativos. La utilización
de residuos y subproductos como combustibles alternativos no debe perjudicar el
comportamiento ambiental de la instalación ni dificultar la operación de la fábrica o
afectar a la calidad del cemento.
Introducción y planteamiento del proyecto
17
Es por esto que el empleo de biomasa como combustible alternativo resulta de especial
interés en el proceso de producción del cemento, no sólo por los beneficios económicos
que puede llevar consigo sino por los beneficios ambientales que se consiguen
derivados del empleo de un combustible respetuoso con el medioambiente.
El presente proyecto que se titula “ESTUDIO ECONÓMICO AMBIENTAL DE LA
REDUCCIÓN DE EMISIONES EN UNA PLANTA CEMENTERA POR LA
COMBUSTIÓN DE BIOMASA” tiene por tanto un gran interés para el sector
cementero, en sus dos vertientes, la económica y la ambiental.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
1
2PROCESO DE PRODUCCIÓN Y BIOMASA A UTILIZAR
Proceso de producción y biomasa a utilizar
2
2.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL CEMENTO
2.1.1. INTRODUCCIÓN
La química básica del proceso de la fabricación del cemento empieza con la
descomposición del carbonato cálcico (CaCO3) a unos 900º C dando óxido cálcico
(CaO) y liberando dióxido de carbono gaseoso (CO2); este proceso se conoce como
calcinación o descarbonatación de la caliza. Sigue luego el proceso de clinquerización
en el que el óxido de calcio reacciona a alta temperatura (normalmente entre 1.400 y
1.500º C) con sílice, alúmina y óxido de hierro para formar los silicatos, aluminatos y
ferritos de calcio que componen el clínker (C3 S alita 3CaO.SiO2, C2S belita 2CaO.SiO2,
C3A aluminato 3CaO.Al2O3, C4AF ferrita 4CaO.Al2O3.Fe2O3). Finalmente el clínker se
muele conjuntamente con yeso y otras adiciones para producir el cemento.
El cemento es un producto pulverulento e hidráulicamente activo, es decir, que genera
resistencias mecánicas al hidratarse.
Se fabrica a partir de una mezcla de clínker y yeso que actúa como controlador de
fraguado. Además se le pueden añadir otro tipo de adiciones activas como cenizas
volantes, escorias de alto horno, caliza, humo de sílice o puzolanas dando lugar a los
distintos tipos de cemento gris (el más común) y blanco.
Hay cuatro procesos para la fabricación del cemento; procesos seco, semiseco,
semihúmedo y húmedo.
En los apéndices se ha incluido como referencia esquemas con estos procesos.
En el proceso seco, las materias primas son trituradas y secadas para formar el crudo o
harina que tiene la forma de un polvo fluido. El crudo se alimenta a un horno con
precalentador o con precalcinador, o más raramente, directamente a un horno largo de
vía seca.
Este proceso será objeto de la situación de referencia del presente proyecto.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
3
[Fuente: B.A.T. FOR THE CEMENT INDUSTRY]
Proceso de producción y biomasa a utilizar
4
La elección del proceso tiene una gran importancia y viene determinada por el estado de las
materias primas (secas o húmedas).
En Europa, entorno al 78**% de la producción se basa en procesos de vía seca, gracias a la
disponibilidad de materias primas secas. En España este porcentaje es superior (93*%): de los
58* hornos existentes 47* son de vía seca.
Los procesos húmedos consumen más energía y por lo tanto tienen un mayor coste de
producción. Las plantas que emplean procesos húmedos o semihúmedos lo suelen hacer porque
normalmente sólo tienen acceso a materias primas húmedas. En España, este proceso sólo se da
en 5* hornos de plantas del norte en que las materias primas tienen un alto contenido de
humedad, y representa el 3*% de la capacidad de producción.
En España existen 5* hornos de vía semiseca, que representan el 3*% de la capacidad de
producción.
En Europa el 16**% de la producción se realiza por vía semihúmeda y semiseca y sólo un 6**%
por vía húmeda.
Los hornos de fabricación de clínker blanco son de vía seca y semiseca, representando un 4* %
de la capacidad.
*DATOS DE 2004
**DATOS DE 2006
Proceso de producción y biomasa a utilizar
5
Todos los procesos de fabricación del cemento tienen en común los siguientes subprocesos o etapas importantes:
A. Obtención de materias primas: extracción y trituración (1) (2) (3).
B. Almacenamiento y preparación de materias primas (4)
C. Molienda de las materias primas para la obtención de crudo (5) (6)
D. Almacenamiento y preparación de combustibles.
E. Cocción de las materias primas para la obtención de clínker (7) (8) (9)
F. Almacenamiento de clínker y Molienda de cemento (10) (11)
G. Almacenamiento, ensacado y expedición de cemento (12)
[Fuente: HOLCIM]
Proceso de producción y biomasa a utilizar
6
2.1.2. OBTENCIÓN DE MATERIAS PRIMAS: EXTRACCIÓN Y TRITURACIÓN.
El proceso de fabricación del cemento comienza con la obtención de las materias primas
necesarias para conseguir la composición deseada de óxidos metálicos para la
producción de clínker.
El clínker se compone de los siguientes óxidos.
Oxido % en peso
CaO 65-68
SiO2 20-23
Al2O3 4-6
Fe2O3 2-4
MgO 1-5
Mn2O3 0,1-3
TiO2 0,1-1
SO3 0,1-2
K2O 0,1-1
Na2O 0,1-0,5
La obtención de la proporción adecuada de los distintos óxidos se realiza mediante la
dosificación de los minerales de partida:
Caliza y marga para el aporte de CaO.
Arcillas y pizarras para el aporte del resto óxidos.
Por tanto las materias primas para la fabricación de clínker son dos principalmente:
Un aporte de carbonato: generalmente calizas o margas.
Son las encargadas de aportar el CaO que luego reaccionará en el horno para formar los
silicatos que son los componentes realmente activos en el clínker.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
7
Un aporte de fundentes: generalmente arcillas o pizarras.
Son las encargadas de aportar los óxidos que funcionan como fundentes y que
contribuyen a la formación de fase líquida en el horno facilitando las reacciones.
En la Naturaleza, existen depósitos calcáreos tales como caliza, marga o creta, que
proporcionan la fuente del carbonato cálcico (CaCO3) que origina el óxido de calcio
(CaO).
El óxido de magnesio (MgO) se origina a partir del carbonato de magnesio (MgCO3).
La sílice (SiO2), el óxido de hierro (Fe2O3) y la alúmina (Al2O3) se encuentran en
diversas menas y minerales, tales como arena, pizarra, arcilla y mena de hierro.
También se pueden emplear subproductos y residuos como sustitutivos parciales de las
materias primas naturales tal y como se muestra en la siguiente tabla.
Residuos frecuentes empleados como materias primas en la industria del cemento
[Fuente: Cembureau]
En España, los más utilizados como sustitutos de materias primas en el crudo son:
escorias (de hierro y fundición), cascarillas de hierro, arenas de fundición y lodos de
papeleras. También se emplean en gran cantidad las cenizas volantes de central térmica
como adición para la fabricación de cemento.
La extracción de casi todas las materias primas naturales implica operaciones en
canteras y minas. Los materiales se obtienen normalmente en canteras a cielo abierto.
Las operaciones de extracción incluyen perforación de rocas, voladuras, excavaciones,
acarreo y trituración.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
8
Las principales materias primas, como la caliza, marga arcillosa y arcilla, se extraen de
las canteras. En la mayoría de los casos la cantera está próxima a la planta. Después de
la trituración primaria, las materias primas se transportan a la planta de cemento para su
almacenamiento y posterior preparación. Otras materias primas, tales como minerales
de hierro, escorias de alto horno o arenas de fundición, se suministran a través de
fuentes externas.
El proceso de fabricación del cemento se inicia con los estudios y evaluación minera de
materias primas (calizas y arcillas) necesarias para la producción.
Como segundo paso se complementan los estudios geológicos, se planifica la
explotación y se inicia el proceso: de perforación, quema, remoción, clasificación,
cargue y transporte de materia prima.
Estos materiales se extraen mediante perforación y voladura de una cantera que
generalmente se encuentra en las proximidades de la fábrica.
Una vez removido el material y clasificado, se inicia el proceso de trituración
reduciendo el tamaño de la roca y es transportado a las instalaciones de la fábrica.
El material es fracturado hasta obtener una granulometría apropiada para su preparación
posterior.
Las materias primas son transportadas a la fábrica de cemento donde se descargan para
su almacenamiento y posterior preparación.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
9
2.1.3. ALMACENAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS
El tratamiento previo de las materias primas es fundamental para el subsiguiente
proceso del horno. Hay que prestar especial atención a la composición química del
crudo y a la adecuada finura del mismo que se obtenga al final de la molienda.
En el caso de la fabricación de cemento blanco (en España se fabrican siete tipos como
se indica en el capítulo 1) hay que prestar especial cuidado a las materias primas para
evitar elementos que puedan alterar el color del producto final.
Los estudios de composición de los materiales en las distintas zonas de cantera y los
análisis que se realizan en fábrica permiten dosificar la mezcla de materias primas para
obtener la composición deseada.
La necesidad de emplear almacenes cubiertos depende de las condiciones climáticas y
del porcentaje de finos en las materias primas al salir de la planta de trituración. En el
caso de una planta de 3.000 t/día de producción de clínker, el almacenamiento promedio
se estima entre 20.000 y 40.000 t de material.
Uno de los factores más importantes en la fabricación del clínker es la alimentación de
materias primas al horno ya que necesita ser lo más homogénea posible desde el punto
de vista de su composición química.
Esto se logra controlando la alimentación en la planta de molienda de crudo.
Cuando el material de la cantera varía en su calidad, se puede lograr con un proceso de
prehomogenización inicial por apilamiento del material en capas longitudinales (o
circulares) según el tipo de parque, y extrayéndolo, tomando secciones transversales de
toda la pila. Cuando el material de la cantera es homogéneo, pueden emplearse sistemas
de apilamiento y extracción más simples.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
10
La materia prima para la fabricación del clínker debe de tener un porcentaje
determinado de cada uno de los óxidos y suele ser necesario el aportar adiciones
correctoras de la composición (ferrita, magnetita, alúmina, sílice, caliza, etc.).
Las materias primas usadas en pequeñas cantidades, por ejemplo las adiciones
minerales, se pueden almacenar en silos o tolvas. Las materias primas especiales, tales
como cenizas volantes y fosfoyesos, deben ser almacenadas y preparadas de acuerdo a
requerimientos específicos.
La prehomogenización realizada mediante diseños adecuados del apilamiento y la
extracción de los materiales en los almacenamientos reduce la variabilidad de los
mismos.
[Fuente: Oficemen]
El material triturado se transporta por medio de bandas hasta el patio, de
prehomogeneización, donde se organizan en dos pilas en capas horizontales para luego
consumirse en cortes (tajadas) verticales.
Los materiales pueden ser analizados a su paso mediante un equipo de rayos gamma
localizado sobre la banda transportadora.
Con esto se logra una primera homogeneidad de las materias primas. Este material es
transportado y almacenado en un silo del cual se alimenta el molino de crudo. Allí
mismo se tienen silos con los materiales correctivos (minerales de hierro y caliza
correctiva alta generalmente).
Se dosifica dependiendo de sus características; y mediante básculas el material al
molino de harina (o crudo).
Proceso de producción y biomasa a utilizar
11
2.1.4. MOLIENDA DE LAS MATERIAS PRIMAS PARA LA OBTENCIÓN DE
CRUDO
Para lograr un crudo de composición química homogénea, es de gran importancia, que
las materias primas que alimentan el molino se pesen y dosifiquen con la mayor
exactitud posible. Esto es esencial para conseguir un buen funcionamiento del horno y
para obtener un clínker de alta calidad.
La medición y dosificación es también un factor importante de cara a la eficiencia
energética del sistema de molienda. El equipo más común de pesaje y dosificación
usado en la alimentación de materias primas a los molinos consta de tolvas intermedias
por producto, llenadas desde el parque de materias primas o por alimentación exterior,
extracción de las tolvas con básculas dosificadoras y un alimentador de banda para
introducir el material al molino.
El material extraído y dosificado de los silos de materias primas tiene un tamaño
aproximado de 10cm y se debe reducir su tamaño.
La finalidad de la molienda es reducir el tamaño de las partículas de materias para que
las reacciones químicas de cocción en el horno puedan realizarse de forma adecuada.
Por lo tanto, las materias primas, en proporciones controladas, se muelen y se mezclan
juntas para formar una mezcla homogénea con la composición química requerida.
Para los sistemas de horno seco y semiseco, los componentes de las materias primas se
muelen y se secan hasta lograr un polvo fino, haciendo uso principalmente de los gases
calientes de salida del horno y/o del aire de salida del enfriador de clínker.
Para las materias primas con alto contenido de humedad, y en los procesos de arranque,
puede necesitarse un hogar auxiliar para proporcionar calor adicional.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
12
Este material pulverizado es transportado mediante la succión de gases calientes
provenientes del horno, hasta el filtro de mangas, donde es separado el material del aire
y transportado al silo de homogeneización.
En el silo se homogeneiza, la harina, mediante aire para, obtener una harina cuya
composición química sea la ideal para la fabricación del clínker.
El material aportado al horno debe ser finamente molido. El resultado de esta molienda
es un material que recibe el nombre de harina o crudo que es almacenado en unos silos
dotados de un sistema de homogeneización neumática.
El material obtenido debe ser homogeneizado para garantizar la calidad del clínker y la
correcta operación del horno.
La molienda de materias primas (molienda de crudo) se realiza en equipos mecánicos
rotatorios, en los que la mezcla dosificada de materias primas es sometida a impactos de
cuerpos metálicos o a fuerzas de compresión elevadas.
Los sistemas más usuales de molienda en seco son:
- molino de bolas con descarga central
- molino de bolas, barrido por aire
- molino vertical de rodillos (que consiste en una mesa giratoria con tres rodillos, sobre
la cual muelen el material que cae sobre la mesa hasta pulverizarlo).
- molino horizontal de rodillos (sólo hay unas pocas instalaciones hasta ahora).
Otros sistemas de molienda, menos frecuentemente empleados son:
- molino de bolas con descarga final en circuito cerrado
- molino en circuito abierto
- prensa de rodillos, con o sin secador triturador.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
13
La finura y la distribución granulométrica de las partículas de crudo que salen del
sistema de molienda son de la mayor importancia para el subsiguiente proceso de
calcinación.
El patrón fijado para estos parámetros se alcanza mediante el ajuste del separador
empleado para la clasificación del producto que sale del molino.
En la molienda de vía seca, se emplean separadores de aire.
A título descriptivo los hornos de vía húmeda o semihúmeda emplean la molienda
húmeda. Los componentes de las materias primas se muelen junto con agua añadida
para formar una pasta. Para lograr la finura requerida de la pasta, que cumpla con las
demandas de calidad, suelen utilizarse los sistemas de molienda en circuito cerrado.
La pasta que sale del proceso de molienda, requiere posteriormente una mezcla y
homogeneización para lograr la óptima composición del crudo, antes de ser enviada al
horno. La pasta se almacena en balsas, tanques o bien en silos.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
14
2.1.5. ALMACENAMIENTO Y PREPARACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES
Se pueden emplear diversos combustibles para proporcionar la energía térmica
requerida por el proceso. Hoy en día, se emplean principalmente tres diferentes tipos de
combustibles en el calentamiento del horno de cemento; en orden decreciente de
importancia en Europa son:
- coque de petróleo y/o carbón pulverizado
- residuos orgánicos
- fuel óleo pesado
- gas natural.
Los principales combustibles empleados en la industria cementera española son coque
de petróleo y carbón (carbones bituminosos y lignitos). El elevado coste impide
normalmente el empleo de gas natural o fuel óleo, pero la elección del combustible
depende de la situación local (un ejemplo es la aplicación de carbones nacionales donde
se puedan obtener).
Los principales constituyentes de las cenizas de estos combustibles son compuestos de
sílice y alúmina. Estos se combinan con las materias primas formando parte del clínker.
El contenido y composición de las cenizas influye en el cálculo de la composición del
crudo, por lo que es deseable emplear un combustible con un contenido bajo en cenizas.
Las altas temperaturas y los largos tiempos de permanencia de los gases en el horno,
implican un considerable potencial para la destrucción de los compuestos orgánicos.
Esto permite emplear como combustibles de sustitución, residuos de otros procesos.
En el caso de fabricación del cemento blanco la selección de combustibles debe hacerse
con especial cuidado para evitar elementos que puedan alterar el color del producto final
por lo que no es posible en general el uso de los combustibles alternativos anteriormente
mencionados.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
15
2.1.5.1. ALMACENAMIENTO DE COMBUSTIBLES
El carbón y el coque de petróleo se almacenan de forma similar a las materias primas,
en muchos casos, en almacenes cubiertos. La formación de montones grandes y
compactos exteriores a cielo abierto se emplea para los almacenamientos de larga
duración. Estos montones deben ser tratados para prevenir la erosión por lluvia y del
viento (riego asfáltico, riego con agua y material tenso activo, cubrir con hierba, etc.). Si
hay suelos de hormigón bajo los montones apilados, se puede recoger y depurar el agua
de los drenajes. Cuando se almacena carbón de relativamente alto contenido en materias
volátiles, se necesita observar una buena práctica en términos de compactación y altura
de las pilas, para evitar el riesgo de ignición espontánea, cuando se almacena por
períodos largos.
El carbón y el coque de petróleo pulverizados se almacenan exclusivamente en silos.
Por razones de seguridad (como el riesgo de auto ignición o explosiones causadas por
electricidad estática), estos silos deben estar equipados con medios de seguridad. En la
mayoría de los casos disponen de válvulas antiexplosión y sistemas de inertización con
CO2 o nitrógeno.
El fuel óleo se almacena en tanques de acero. Para poder bombear el fuel óleo se precisa
calentarlo con objeto de aumentar su fluidez. Esto se logra mediante sistemas de
calentamiento con vapor o con aceite térmico y el calorifugado de las conducciones.
El gas natural no se almacena en la planta de cemento. Normalmente se suministra
directamente desde las redes de distribución de gas.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
16
2.1.5.2. PREPARACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES
La preparación del combustible sólido (trituración, molienda y secado) se suele llevar a
cabo normalmente in situ.
El carbón y el coque de petróleo son pulverizados casi a la finura de la harina cruda, en
torno a valores de 200µm, en plantas de molienda que emplean equipos similares a las
plantas de molienda de materias primas.
La mayor parte del combustible que se alimenta al horno (65-85%) tiene que estar
finamente molida, mientras que el resto (15-35%) puede ser alimentado sin pulverizar
(por ejemplo neumáticos enteros o troceados), siendo introducido por puntos
alternativos al quemador. Ver punto 2.3.3. “Empleo de residuos como combustible”.
La finura del combustible pulverizado es muy importante. Si es demasiado fino, las
temperaturas de la llama pueden ser demasiado elevadas. Si es demasiado grueso, puede
ocurrir una mala combustión. El combustible sólido de bajo contenido en volátiles
necesitará una trituración más fina. Si no se dispone de suficiente aire caliente para el
secado, proveniente del horno o del enfriador, tiene que instalarse un hogar auxiliar. Es
fundamental la instalación de dispositivos especiales para proteger el equipo contra
fuegos y explosiones.
Se emplean tres sistemas principalmente de trituración y molienda de combustible:
- molino de bolas, barrido por aire
- molino vertical
- molino de impactos.
El combustible sólido molido puede llevarse directamente al quemador del horno, pero
en las instalaciones modernas se almacena generalmente en silos desde los que se
alimentan los sistemas de dosificación a los quemadores primarios y secundarios del
horno. La molienda del combustible sólido, su almacenamiento y los sistemas de
calentamiento tienen que ser diseñados y operados de tal forma que se evite el riesgo de
explosión o de fuego.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
17
Se debe controlar adecuadamente la temperatura del aire y evitar la acumulación de
material fino en puntos muertos expuestos al calor.
En el caso de utilizar fuel óleo, para facilitar su manipulación y combustión, el fuel óleo
se calienta a 120-140º C, lo que reduce su viscosidad a 10-20cSt. Adicionalmente, se
eleva la presión a 20-40bar.
Preparación de gas natural: Antes de la combustión tiene que reducirse la presión de la
tubería de 30-80bar a la presión de la red de la planta de 3-10bar y luego reducir de
nuevo a la presión de suministro al quemador, alrededor de 1bar (sobre presión).
La primera etapa de reducción de presión se realiza en la estación de transferencia del
gas, donde también tiene lugar la medida de consumo. Para evitar la congelación del
equipo como resultado del efecto Joule - Thompson se precalienta el gas natural antes
de pasar a través de la válvula de reducción de presión.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
18
2.1.5.3. EMPLEO DE RESIDUOS COMO COMBUSTIBLE
El empleo de combustibles alternativos es una práctica asentada en la mayoría de los
países desarrollados desde hace más de veinte años, entre los que destacan por el nivel
de substitución con residuos: Japón, Suiza, Estados Unidos, Bélgica, Alemania y
Francia.
En el año 2000, más del 13 % de los combustibles utilizados en la industria cementera
de la Unión Europea fueron alternativos. Aproximadamente un tercio de los hornos de
cemento instalados (unos 150 de los casi 450 existentes) emplean combustibles
alternativos, con un consumo total equivalente a más de 3 millones de toneladas de
carbón. El nivel de sustitución mantiene una tendencia creciente, y en algunas regiones
se ha superado la cifra del 50 %.
En la siguiente tabla podemos ver las cantidades empleadas de algunos residuos y los
países en los que más se utilizan.
Ejemplos de residuos utilizados en la Unión Europea en 1997
[Fuente: Cembureau, British Cement Association, Oficemen].
Proceso de producción y biomasa a utilizar
19
Además de los residuos relacionados en la anterior tabla, las fábricas de cemento de la
Unión Europea emplean como combustibles alternativos residuos agrícolas y ganaderos
(como harinas o grasas animales, biomasa, etc.), de la industria del caucho, lodos
industriales, lodos de depuración de aguas residuales y otros que cumplen con los
requisitos necesarios.
El sector cementero español utilizó en el año 2002 unas 80.000 t de residuos como
combustibles alternativos, que supusieron poco más del 1% del consumo térmico de los
hornos de clínker. Estos residuos fueron principalmente:
- Neumáticos
- Harinas animales
- Líquidos (disolventes, barnices, etc.)
- Residuos de madera
- Aceites usados
[Fuente: Oficemen]
Proceso de producción y biomasa a utilizar
20
2.1.5.3.1. CONDICIONES TERMOQUÍMICAS DE LOS HORNOS DE CLÍNKER
La combustión en el horno de clínker tiene lugar en una o dos zonas, en función de la
tecnología empleada:
a) En el mechero principal, presente en todos los hornos, situado en la parte más baja
del horno rotatorio. La llama alcanza una temperatura cercana a los 2.000º C. Los gases
de combustión se mantienen a más de 1.200º C durante un tiempo superior a 5
segundos, en atmósfera oxidante.
b) En la zona del horno en que se produce la descarbonatación de la caliza (calcinación),
en la que la combustión se realiza a temperaturas cercanas a los 1.200º C,
manteniéndose los gases a una temperatura superior a 850º C durante unos 3 segundos.
[Fuente: Generalitat de Catalunya Departament de Medi Ambient].
La ubicación concreta de la segunda zona de combustión varía para distintas tipologías
de hornos:
a) b)
Proceso de producción y biomasa a utilizar
21
- Los hornos más modernos disponen de cámaras de combustión en la parte baja de la
torre de ciclones (precalcinador), donde se realiza la combustión con aporte de aire
caliente proveniente del enfriador de clínker (ver siguiente figura). Algunos hornos
disponen de precalcinador sin aporte de aire terciario, por lo que la combustión se
realiza con el exceso de oxígeno proveniente del mechero principal.
Esquema de horno con intercambiador de ciclones y precalcinador
[Fuente: Energie. Comisión Europea].
Proceso de producción y biomasa a utilizar
22
- En hornos vía seca que no disponen de precalcinador o en hornos vía semiseca o
semihúmeda, la combustión puede realizarse en la primera zona del horno rotatorio.
Este sistema está especialmente indicado para combustibles densos y alimentados en
tamaños relativamente grandes (pe.: neumáticos enteros o troceados, ver figura
siguiente).
Alimentación de neumáticos troceados al horno. Ejemplo.
[Fuente: Energie. Comisión Europea].
Proceso de producción y biomasa a utilizar
23
- En hornos vía húmeda o en hornos largos, la alimentación de combustibles
alternativos puede realizarse en una zona adecuada del horno rotatorio (sistema
patentado “Mid Kiln”, ver siguiente figura). La apertura realizada en el horno rotatorio
y el sistema de compuertas permite que se pueda alimentar combustible en cada
rotación del horno.
Esquema de funcionamiento del sistema “MID-KILN”.
[Fuente: Energie, Comisión Europea].
[Fuente: World Cement].
Proceso de producción y biomasa a utilizar
24
En las condiciones de combustión descritas, los compuestos orgánicos contenidos en los
residuos son destruidos, dando como resultado la formación de CO2 y H2O. La energía
liberada en la combustión se aprovecha en el proceso de fabricación de clínker.
En el caso de que el residuo contenga cloro o azufre, la combustión generará gases
ácidos como el cloruro de hidrógeno y el óxido de azufre. Estos gases son neutralizados
y absorbidos en su práctica totalidad por la materia prima, de naturaleza alcalina. Las
sales inorgánicas formadas se incorporan al clínker.
En caso de que los residuos contengan metales, su presencia será controlada en las
emisiones. Los numerosos estudios realizados sobre el comportamiento de los metales
han demostrado que éstos son retenidos mayoritariamente en el clínker, con cifras de
retención muy próximas al 100%, salvo para metales relativamente volátiles como el
mercurio y el talio, que deberán ser controlados y limitados en los residuos que entren
en el horno.
Por otra parte, los combustibles alternativos pueden aportar minerales que contribuyan a
formar los compuestos del clínker. Los neumáticos usados, por ejemplo, además de
energía aportan hierro para la composición del clínker. En este caso, además de la
valorización energética, la materia prima contenida en el residuo se recicla en el clínker.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
25
2.1.5.3.2. LIMITACIONES A LA SUSTITUCIÓN CON COMBUSTIBLES
ALTERNATIVOS
La utilización de residuos y subproductos como combustibles alternativos no debe
perjudicar el comportamiento ambiental de la instalación ni dificultar la operación de la
fábrica o afectar a la calidad del cemento.
Las limitaciones en cuanto a los tipos de residuos derivan de las consideraciones
anteriores.
La presencia de cloro en el horno puede dar lugar a problemas de pegaduras y atascos
durante el proceso de fabricación. Además, el contenido en cloro en el cemento está
limitado al 0,1 % en peso, por lo que debe garantizarse que el empleo de combustibles
alternativos no introduzca cantidades significativas de cloro en el proceso.
Por otra parte, ya se ha comentado que los metales más volátiles (Hg., Ti.) no son
retenidos al 100% por la acción del horno, por lo que se emplean residuos con
contenidos lo suficientemente bajos de estos elementos.
Tampoco pueden tratarse residuos radioactivos.
En cuanto a los residuos orgánicos de origen sanitario u hospitalario, las empresas
cementeras son reacias a utilizarlos, aunque no hay limitaciones tecnológicas que lo
justifiquen.
Las autoridades ambientales competentes establecen en los permisos las limitaciones en
cuanto a composición y cantidad de residuos, de forma que se garantice la
compatibilidad ambiental de la actividad. También establecen los límites de emisión
que debe respetar la instalación durante la combustión de los residuos, los cuales son
normalmente más estrictos que los límites habituales, intentando que el ahorro de costes
energéticos obtenido por el operador revierta de alguna forma en inversiones y mejoras
ambientales añadidas.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
26
2.1.5.3.3. PREPARACIÓN DE COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS
La práctica totalidad de los combustibles alternativos empleados en las fábricas de
cemento son sólidos o líquidos.
Hoy en día muchas fábricas utilizan residuos industriales (aceites, disolventes o
neumáticos usados) como combustible, valorizando así los mismos y evitando los
posibles daños en el medio ambiente que su almacenamiento provoca.
Los combustibles sólidos (neumáticos, papel, plástico) se someten a tratamientos que
incluyen la adecuación del tamaño mediante trituración o corte, para adaptar el residuo a
las instalaciones de almacenamiento, manipulación y combustión de la fábrica de
cemento.
Los combustibles líquidos (lubricantes, disolventes, etc.) pueden en su mayoría
alimentarse al horno en su composición original, aunque normalmente se les somete a
procesos de mezcla y homogeneización en plantas específicamente diseñadas (plantas
de preparación de residuos), con el fin de optimizar la combustión en el horno, tanto
desde un punto de vista de operación del mismo como de su comportamiento ambiental.
2.1.5.3.4. MANIPULACIÓN DE RESIDUOS Y ALIMENTACIÓN AL HORNO
Una vez autorizada por parte de la autoridad ambiental la utilización de residuos como
combustibles alternativos en el horno de cemento, la gestión de los mismos en la fábrica
se estructura en cuatro etapas (ver tabla del apartado):
1º Recepción: Cada cargamento entrante en la fábrica es sometido a un control e
inspección, que incluye desde el pesaje y observación visual, hasta la analítica completa
para determinados residuos peligrosos.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
27
En esta fase se toman las precauciones necesarias para asegurar que el residuo es
efectivamente uno de los autorizados para ser utilizados en la fábrica, y que no ha sido
manipulado o contaminado con residuos no autorizados.
2º Almacenamiento: el residuo es descargado en fábrica para su almacenamiento
temporal, con una capacidad que supone normalmente varios días de utilización y cuyo
fin es regular adecuadamente el flujo de residuos al horno.
El tipo de almacenamiento y los sistemas de carga y descarga se diseñan de forma que
se garantice la seguridad, incluyendo sistemas de protección contra incendios y medios
de protección contra vertidos al suelo y agua de los residuos.
Los residuos líquidos se almacenan en depósitos estancos, dotados de sus
correspondientes cubetos de protección contra posibles pérdidas o derrames.
Los residuos sólidos se almacenan en acopios, en naves o en tolvas.
3º Alimentación al horno: Desde el almacenamiento, los residuos son transportados
hasta el punto de entrada al horno: el quemador principal o la zona de calcinación
descrita en anteriormente.
Los residuos líquidos pueden alimentarse a uno u otro, y son inyectados mediante
bombas hidráulicas en tuberías a presión.
Los quemadores se diseñan específicamente para que la combustión se realice en las
condiciones de temperatura, turbulencia y exceso de oxígeno más favorables.
Los residuos sólidos suelen alimentarse por medios mecánicos o neumáticos, en función
fundamentalmente de su granulometría:
- Cuando se trata de materiales gruesos (neumáticos enteros o troceados, balas de
plástico y papel, etc.) la entrada al horno se realiza por gravedad, a través de un sistema
de compuertas o clapetas que reduce la entrada de aire falso (recordemos que el horno
está en depresión por acción del ventilador ubicado aguas abajo de la corriente de
gases).
Proceso de producción y biomasa a utilizar
28
- En el caso de residuos sólidos de pequeña granulometría (caucho triturado, plástico
troceado, etc.) la alimentación puede realizarse a través de tuberías en las que el residuo
es arrastrado por aire.
4º Control de proceso: La alimentación al horno se debe realizar únicamente cuando
las condiciones de combustión y el funcionamiento de los filtros garantizan la
destrucción de los compuestos orgánicos presentes en el residuo y el cumplimiento de
los límites de emisión a la atmósfera.
Se deben controlar de forma continua con equipos automáticos tanto las condiciones de
la llama (temperatura y contenido en oxígeno), como las emisiones a la atmósfera de los
contaminantes establecidos legalmente, y que incluyen las partículas, los óxidos de
azufre y los óxidos de nitrógeno.
En algunos casos se requiere el control en continuo de los gases ácidos (HCl., HF) y los
compuestos orgánicos. Además, se deben realizar mediciones periódicas de las
emisiones de metales pesados y de dioxinas y furanos.
Los hornos de cemento deben disponer de sistemas de corte de la alimentación de
residuos cuando cualquiera de los parámetros de control del proceso incumple las
exigencias establecidas en los permisos de operación. Se garantiza de esta forma que los
residuos son tratados de forma segura y eficaz.
Esquema de gestión de combustibles alternativos en una fábrica.
[Fuente: Oficemen].
Proceso de producción y biomasa a utilizar
29
Como puede observarse los residuos sólidos pueden alimentarse gravimétricamente o
por inyección de aire y en este último caso, la granulometría juega un papel importante,
debiendo estar ésta por debajo de los 10mm.
El conjunto de instalaciones para la gestión de los combustibles alternativos suponen
una inversión en equipos cuya cuantía varía en función de las dificultades de
manipulación del residuo y de las precauciones que deban tomarse.
En los casos más favorables, tales como los residuos líquidos no peligrosos, la inversión
podría ser inferior al millón de euros.
Cuando los equipos deben diseñarse para tratar residuos voluminosos y/o peligrosos, las
cifras de inversión pueden acercarse a los cinco millones de euros. Estas cifras incluyen
los sistemas de control y análisis, los almacenamientos y sus sistemas de protección y
los equipos de alimentación al horno. No se incluyen los costes de operación, que
dependerán del tipo de residuo y de los controles externos exigidos por las autoridades.
Además, si fuera necesario, habría que sumar las inversiones en equipos de depuración
para adecuar el comportamiento de la fábrica a las mayores exigencias
medioambientales.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
30
2.1.6. COCCIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS PARA LA OBTENCIÓN DE
CLÍNKER. CALENTAMIENTO DEL HORNO
En función de cómo se procesa el material antes de su entrada en el horno de clínker, se
distinguen los cuatro tipos de proceso de fabricación (seca, semiseca, semihúmeda y
húmeda) comentados con anterioridad.
La tecnología que se aplica depende fundamentalmente del origen de las materias
primas.
El tipo de caliza y de arcilla y el contenido en agua (desde el 3% para calizas duras
hasta el 20 % para algunas margas), son los factores decisivos.
En el proceso por vía seca, el crudo es introducido a través de un intercambiador de
ciclones donde el material se calienta con los gases del horno en contracorriente hasta
alcanzar una temperatura de unos 600º C a la entrada del horno.
El horno rotativo consta de un tubo de acero con una relación de longitud a diámetro de
entre 10:1 y 38:1. El tubo es soportado por dos a siete (o más) estaciones de apoyo,
tiene una inclinación de 2,5 a 4,5% y una velocidad de rotación de 0,5 a 4,5
revoluciones por minuto. La combinación de la inclinación del tubo y la rotación causa
que el material discurra lentamente a lo largo de él. Para proteger la chapa de las altas
temperaturas, el horno rotativo se forra completamente con ladrillos refractarios
resistentes al calor. Los hornos largos de vía húmeda están equipados con aditamentos
internos como las cadenas, para mejorar la transferencia térmica.
Pueden ocurrir obstrucciones transitorias de material alrededor de la superficie interior
del horno, dependiendo del proceso y de las materias primas. Estas obstrucciones se
conocen como anillos y pueden ocurrir en la zona de entrada del material al horno, cerca
de la zona de clinquerización, o en la zona de salida del clínker. Los últimos dos tipos
pueden romperse de repente y causar una avalancha de material mal cocido, que
normalmente puede ser reprocesado. Los ciclones de las torres de precalentamiento y
Proceso de producción y biomasa a utilizar
31
las parrillas de los hornos con precalentador pueden estar sujetos también a
obstrucciones de material que pueden dar lugar a taponamientos.
Una vez en el horno, el material sufre una serie de reacciones a altas temperaturas
(1500º C) para formar los componentes básicos del clínker que le van a conferir sus
propiedades (C3S, C2S, C3A y C4AF). El clínker a la salida del horno debe de sufrir un
proceso de enfriamiento rápido con el fin de que no se reviertan las reacciones que
tienen lugar en el horno.
El aporte calorífico del horno se realiza mediante la combustión en el mechero de
combustibles principalmente coque de petróleo.
La materia prima es introducida en el horno en forma seca y pulverulenta.
El sistema del horno comprende una torre de ciclones para intercambio de calor en la
que se precalienta el material en contacto con los gases provenientes del horno.
El proceso de descarbonatación de la caliza (calcinación) puede estar casi completado
antes de la entrada del material en el horno si se instala una cámara de combustión a la
que se añade parte del combustible (precalcinador).
[Fuente: Oficemen]
Proceso de producción y biomasa a utilizar
32
En todos los procesos, el material procesado en el horno rotatorio alcanza una
temperatura entorno a los 1450º.
Es enfriado bruscamente al abandonar el horno en enfriadores planetarios o de parrillas
obteniéndose de esta forma el clínker.
[Fuente: Oficemen]
Esta parte del proceso es la más importante en términos de calidad del producto y del
coste de fabricación.
Para la fabricación de clínker, el crudo (o harina), o la pasta en la vía húmeda se lleva al
sistema del horno donde se seca, se precalienta, se calcina y se sinteriza para producir
clínker de cemento. El clínker se enfría con aire y luego se almacena.
En el proceso de formación del clínker (también llamado clinquerización o
sinterización) es esencial mantener las temperaturas del material en el horno entre 1.400
- 1.500º C, que se corresponden con unas temperaturas de llama de cerca de 2.000º C.
La reacción de clinquerización se realiza bajo condiciones oxidantes. Por lo tanto se
requiere un exceso de aire en la zona de clinquerización del horno.
La fabricación de clínker blanco para la producción de cemento blanco presenta
excepciones a las dos características anteriormente mencionadas.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
33
Por una parte las materias primas no contienen fundentes ya que éstos podrían aportar
coloración al producto final. Esto hace que las temperaturas de clinquerización estén
entorno a los 1.600º C, lo cual exige temperaturas de llama mayores a los 2.000º C.
Por otra parte, en algunos casos es necesario trabajar en condiciones reductoras, lo que
incrementa el consumo energético.
Desde que se introdujo el horno rotatorio, allá por el año 1895, ha llegado a ser la parte
central de todas las instalaciones modernas de producción de clínker. El horno vertical
se emplea todavía para la producción de cal, pero sólo en muy pocos países está en uso
para la producción de clínker de cemento, y en estos casos en plantas de pequeña escala.
CALENTAMIENTO DEL HORNO
El combustible introducido a través del quemador principal produce la llama principal
con unas temperaturas de llama alrededor de 2.000º C. Por razones de optimización del
proceso, la llama tiene que ser ajustada dentro de ciertos límites. En los quemadores
modernos, el tamaño de la llama se ajusta mediante la regulación de los aires primario
(10-15% del total del aire de combustión) y secundario.
Los puntos potenciales de alimentación de combustible al horno son:
a) a través del quemador principal, situado en el extremo de salida del horno rotativo
b) a través de los quemadores secundarios en el conducto de entrada al horno
c) a través de los quemadores del precalcinador en hornos con precalcinador
d) a través de la tolva de alimentación al precalcinador (para combustible no
pulverizado)
e) a través de una válvula de alimentación situada en la mitad del horno en el caso de
hornos largos (para combustibles no pulverizados).
Proceso de producción y biomasa a utilizar
34
[Fuente: Cemento y Hormigón]
En el caso de utilizar carbón/coque de petróleo como combustible, se puede alimentar
directa o indirectamente. En el caso de inyección directa no se requiere almacenamiento
de carbón molido. El combustible pulverizado se inyecta directamente dentro del horno
con el aire de barrido del molino actuando como agente de transporte y como aire
primario. Las plantas de alimentación directa tienen un gran número de desventajas.
Entre otras, las pérdidas de calor del horno están alrededor de 200-250 MJ/tonelada de
clínker (6 a 8% más alto que los modernos sistemas de horno). Por consiguiente la
inyección directa no se utiliza normalmente hoy día, siendo nulo su uso en las
instalaciones españolas.
El fuel óleo, a viscosidad y presión adecuadas, se inyecta a través de una boquilla de
atomización en el horno. La configuración de la llama se regula mediante el aire
primario, que se introduce por canales situados alrededor de la boquilla inyector de fuel
óleo, que ocupa una posición central.
Los quemadores del horno para gas natural, se diseñan de acuerdo al principio de los
multicanales, con lo cual el gas reemplaza no sólo al carbón o fuel óleo, sino también al
aire primario.
a)
d) c)
b)
e)
Proceso de producción y biomasa a utilizar
35
2.1.6.1. HORNOS ROTATIVOS LARGOS
Los hornos rotativos largos (ver figura siguiente) se pueden alimentar con pasta, tortas
de filtrado molidas, nódulos o crudo seco y por ello, son aptos para todos los tipos de
proceso. Los hornos largos más grandes tienen una relación longitud a diámetro de 38:1
y pueden tener más de 200 metros de longitud. Estas enormes unidades producen
alrededor de 3.600 toneladas/día empleando el proceso húmedo (Bélgica, USA, antigua
Unión Soviética). Los hornos rotativos largos están diseñados para secar, precalentar,
calcinar y clinquerizar, de tal manera que sólo se completan con el sistema de
alimentación y el enfriador. La parte primera de los hornos largos va equipada con
pantallas de cadenas para mejorar la transferencia térmica.
Horno rotativo largo de vía húmeda con cadenas para intercambio térmico.
[Fuente: Cembureau].
Los hornos de proceso húmedo, empleados desde 1895, son los tipos más antiguos de
hornos rotativos empleados en la producción de clínker de cemento. Este tipo de hornos
se empleó inicialmente con materias primas húmedas, más fáciles de homogeneizar en
dilución con agua. La alimentación típica del horno húmedo contiene de 32 a 40% de
agua, necesaria para mantener su fluidez. Este agua tiene que ser evaporada en la zona
de secado diseñada especialmente en la sección de entrada del horno, en donde se
consume una porción significativa de calor consumido en el horno. Esta tecnología tiene
un consumo específico de calor superior a la vía seca, lo que conlleva a una mayor
emisión de gases de combustión y de vapor de agua.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
36
2.1.6.2. HORNOS ROTATIVOS EQUIPADOS CON PRECALENTADORES
Los hornos rotativos equipados con precalentadores tienen una relación típica de
longitud a diámetro de entre 10:1 y 17:1. Hay dos tipos de precalentadores:
precalentadores de parrilla y de suspensión.
2.1.6.2.1. TECNOLOGÍA DEL PRECALENTADOR DE PARRILLA
La tecnología del precalentador de parrilla, mejor conocido como horno Lepol, se
inventó en 1928. Representa la primera instalación en que parte del proceso de cocción
(la calcinación) tiene lugar en una instalación estacionaria fuera del horno. Permite que
el horno rotativo sea más corto y reducir así la pérdida de calor e incrementar la
eficiencia energética del total de la instalación.
En el precalentador de parrilla (ver figura siguiente) los gránulos hechos con harina
cruda y agua en un plato granulador (proceso semiseco) o las tortas filtradas de lechada
húmeda en un extrusor (proceso semihúmedo) se alimentan a una parrilla horizontal
móvil que se desplaza a través de un túnel cerrado. Las placas de la parrilla permiten el
paso de aire a través de las mismas. El túnel se divide en una cámara de gas caliente y
una cámara de secado separadas por un tabique atravesado por la parrilla. El gas de
salida del horno rotativo, aspirado por un ventilador, pasa primeramente a través de las
capas de gránulos en la cámara de gas caliente y luego a través de los ciclones del
colector intermedio de polvo. En estos ciclones se eliminan las partículas grandes de
polvo, que causarían desgastes en el ventilador. Un segundo ventilador dirige el gas a la
parte superior de la cámara de secado, atravesando las capas húmedas de gránulos, y
finalmente lo lleva al colector de polvo. Para conseguir una óptima eficacia térmica, los
precalentadores de parrilla semihúmedos pueden equiparse con sistemas de triple paso
de gas. El tamaño máximo de sistema de horno semihúmedo construido es de 3.300
toneladas/día.
El gas de salida del horno rotativo entra en el precalentador con una temperatura de
1.000 - 1.100º C. Mientras que fluye a través de las capas de material en la cámara de
gas caliente, el gas de salida se enfría a 250 - 300º C, y sale de la cámara de secado a 90
Proceso de producción y biomasa a utilizar
37
- 150º C. El material a calentarse alcanza una temperatura de alrededor de 150º C en la
cámara de secado y de 700 - 800º C en la cámara de calentamiento.
Precalentador de parrilla
[Fuente: Ullmann´s, 1986].
2.1.6.2.2. TECNOLOGÍA DEL PRECALENTADOR DE SUSPENSIÓN
La invención del precalentador de suspensión o intercambiador de calor de ciclones en
los comienzos de los años 30 fue una gran innovación en el proceso cementero. El
precalentamiento e incluso la calcinación parcial del crudo seco (procesos seco y
semihúmedo) tiene lugar por el mantenimiento de la harina cruda en suspensión con los
gases calientes de salida del horno rotativo.
Se pueden aplicar diversos sistemas de precalentador en suspensión. Generalmente
tienen entre cuatro y seis etapas de ciclones, los cuales se colocan uno sobre otro en una
torre de 50-120 metros de altura. La etapa mas alta puede llevar dos ciclones paralelos
para separar mejor el polvo. Los gases de salida del horno rotativo fluyen a través de las
etapas de ciclones desde la parte inferior a la superior. La mezcla de materias primas
pulverulentas secas se añade al gas de salida antes de la última etapa superior de
ciclones. Se separa del gas en los ciclones y se alimenta antes de la siguiente etapa de
ciclones. Este procedimiento se repite en todas las etapas hasta que finalmente el
material se descarga desde la última etapa en el horno rotativo. Esta alternancia de
mezclado, separación y nuevo mezclado cada vez a temperaturas más altas permite la
óptima transferencia térmica entre el calor de los gases de salida y la harina cruda.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
38
Existen problemas con los precalentadores de suspensión en los casos en que las
materias primas y/o el combustible, contengan cantidades elevadas de materiales como
cloruros, sulfatos y álcalis. Los ciclos altamente enriquecidos de estos elementos
conducen a pegaduras en las paredes de los ciclones y conductos, que frecuentemente
causan taponamientos con las consiguientes paradas del horno durante bastantes días. El
desvío del gas del horno, es decir la extracción de parte de la corriente de gas que sale
del horno, purgando con ello las corrientes circulantes de esos materiales, es la solución
empleada mas frecuentemente para resolver el problema. Este gas desviado se enfría
para condensar los álcalis y luego se trata en un colector de polvo antes de emitirlo a la
atmósfera.
PRECALENTADOR DE CUATRO ETAPAS DE CICLONES
El sistema de horno de precalentador de cuatro etapas de ciclones (ver figura siguiente)
fue la tecnología estándar en los años 70, época en que se construyeron gran número de
plantas con un rango de 1.000 a 3.000 toneladas/día (en España existen muchas líneas
que datan de esa época).
Precalentador de suspensión
[Fuente: Ullmann´s, 1986].
El gas de salida después de la torre de ciclones, que tiene una temperatura de alrededor
de 330º C, se emplea generalmente para el secado de las materias primas y del
combustible.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
39
Cuando el crudo entra al horno rotativo, ya se ha completado alrededor del 30% de la
calcinación.
Casi todos los precalentadores de suspensión de cuatro etapas trabajan adosados a
hornos rotativos con tres apoyos. Este ha sido el diseño estándar desde 1970. Los
hornos, con diámetros de 3,5 a 6 metros, tienen relaciones de longitud a diámetro del
rango de 13:1 a 16:1. Estos hornos, mecánicamente más sencillos que los hornos largos
secos y húmedos, son los tipos de horno más ampliamente empleados hoy día.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
40
2.1.6.3. HORNOS ROTATIVOS CON PRECALENTADOR Y PRECALCINADOR
La técnica de la precalcinación ha sido empleada en la industria del cemento desde
1970. En este procedimiento la quema del combustible se realiza en dos puntos. La
combustión primaria ocurre en la zona de salida del horno. La combustión secundaria
tiene lugar en una cámara especial de combustión situada entre el horno rotativo y el
precalentador. En esta cámara denominada calcinador o precalcinador se puede quemar
hasta el 60% del combustible total del horno. Esta energía se emplea básicamente para
calcinar la harina cruda, la cual está casi completamente calcinada cuando entra al
horno. El aire caliente (opcional) para la combustión en el calcinador procede del
enfriador. El material sale del calcinador a unos 870º C.
La siguiente figura muestra este procedimiento aplicado a un horno con precalentador
de suspensión. El principio de la precalcinación se puede aplicar en cierta medida a
hornos con precalentador de parrilla, pero no se puede colocar un precalcinador en este
tipo de hornos. Para un tamaño determinado de horno rotativo la precalcinación
incrementa la capacidad de producción de clínker.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
41
Precalentador de suspensión con precalcinador
[Fuente: Ullmann´s, 1986].
Los primeros hornos con esta tecnología, tenían sólo cuatro etapas de ciclones, lo que
originaba temperaturas más altas del gas de salida y mayor consumo de combustible.
Cuando la humedad de las materias primas es baja, se pueden instalar torres de ciclones
de seis etapas.
Los sistemas de horno de ciclones y precalcinador se consideran la tecnología
estándar actual para las nuevas plantas de proceso seco. El número de etapas del
intercambiador de ciclones dependerá de la humedad de las materias primas.
En las plantas nuevas europeas en las que se montan estos tipos de horno con
precalentador de suspensión y precalcinador suelen tener capacidades de entre 3.000 y
5.000 t/día, aunque excepcionalmente puede haber unidades de mayor capacidad (existe
algún ejemplo en Polonia de 8.500 t/día y en Asia de 10.000 t/día).
Proceso de producción y biomasa a utilizar
42
2.1.6.4. GASES DE SALIDA DEL HORNO
Los gases de salida de los hornos se pasan a través de un dispositivo de depuración
(precipitador electrostático o filtro de mangas) para la separación del polvo antes de que
se emitan a la atmósfera por la chimenea principal.
En los procesos secos los gases de salida están a temperatura relativamente alta, entorno
a los 350º C, y proporcionan calor al molino de crudo y eventualmente al molino de
carbón, para el secado del crudo y el combustible durante la molienda de los mismos
(marcha combinada o mixta). Si el molino de crudo no está en servicio (marcha directa),
los gases se enfrían con agua pulverizada en una torre de acondicionamiento antes de
conducirlos al colector de polvo, tanto para reducir su volumen como para aumentar sus
características de precipitación (mejora de la conductividad para la captación
electrostática).
El control de los niveles de CO es crítico en los hornos de cemento cuando se emplean
EPs (precipitadores electrostáticos) como equipos depuradores de partículas. Es
necesario asegurar que las concentraciones se mantengan muy por debajo del límite de
explosión. Si el nivel de CO en los EPs se eleva (típicamente a 0,5% en volumen)
entonces se desconecta automáticamente la alimentación de corriente eléctrica al electro
filtro para eliminar el riesgo de explosión. Los incrementos anormales de los niveles de
CO, pueden ser causados por un mal funcionamiento del sistema de combustión. Esto
ocurre algunas veces cuando se queman combustibles sólidos, por lo que los sistemas de
alimentación de combustibles sólidos tienen que diseñarse para mantener una
alimentación homogénea de combustible al quemador, eliminando avalanchas o cortes
de combustible. El contenido de humedad de los combustibles sólidos es un factor
particularmente crítico a este respecto y tiene que ser cuidadosamente controlado para
prevenir atascos o blocajes en los sistemas de preparación y alimentación del
combustible.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
43
2.1.6.5. ENFRIADORES DE CLÍNKER
El enfriador de clínker es una parte integral del sistema del horno y tiene una decisiva
influencia en el desarrollo y economía del rendimiento energético de la planta. El
enfriador tiene dos tareas: recuperar el calor del clínker caliente tanto como sea posible
(el clínker sale del horno alrededor de los 1.450º C) para devolverlo al proceso,
alrededor de los 1.300º C; y reducir la temperatura del clínker a un nivel apto para su
manipulación posterior, alrededor de los 80º C.
El calor es recuperado por el precalentamiento del aire empleado para la combustión en
el quemador principal, tan cerca como sea posible del límite termodinámico. Sin
embargo, esta recuperación se obstaculiza por circunstancias tales como las altas
temperaturas, la extrema abrasión del clínker y su amplio rango granulométrico. Los
enfriamientos rápidos son beneficiosos para el clínker, mejorando su molturabilidad y
optimizando la reactividad del cemento.
Los problemas típicos de los enfriadores de clínker son: La expansión térmica, desgaste,
flujos incorrectos de aire y el bajo rendimiento.
Hay dos tipos principales de enfriadores: rotativos y de parrilla, que son los que se van a
describir. Existen otros enfriadores, como en el caso del clínker blanco, que difieren de
los habituales por la necesidad de mantener las condiciones reductoras hasta los 600º
para mantener el color del producto final.
2.1.6.5.1. ENFRIADORES ROTATIVOS
Enfriador tubular
El enfriador tubular emplea el mismo principio que el horno rotatorio, pero con un
intercambio de calor inverso. Se dispone a la salida del horno, a menudo en
configuración invertida, es decir, debajo del horno se instala un segundo tubo rotativo
con su propio accionamiento. A la salida del horno, el clínker pasa a una tolva de
Proceso de producción y biomasa a utilizar
44
transición antes de entrar en el enfriador, que va equipado con placas volteadoras para
dispersar el clínker en el flujo de aire.
El caudal del flujo de aire de enfriamiento se determina en función del aire requerido
para la combustión del combustible. En el rendimiento del enfriador intervienen, la
velocidad de paso y el diseño interno del mismo. El diseño de los volteadores debe tener
en cuenta el intercambio de calor y controlar el ciclo de retorno del polvo hacia el
horno.
El enfriador planetario (o de satélites)
El enfriador planetario (o de satélites) es un tipo especial de enfriador rotativo. Consta
de varios tubos, típicamente de 9 a 11, fijados al horno rotativo en el extremo de
descarga. Los enfriadores van unidos al tubo del horno a lo largo de una circunferencia
perimetral, y el material pasa a ellos a través de aberturas situadas en el horno. La
cantidad de aire de enfriamiento se determina por el aire requerido para la combustión
del combustible. El aire entra en cada uno de los tubos desde el extremo de la descarga,
permitiendo el intercambio de calor en contracorriente. Igual que en el enfriador tubular,
los dispositivos internos para el volteo y dispersión del clínker son esenciales. Este tipo
de enfriador no presenta ningún parámetro operativo variable. El alto desgaste y el
choque térmico, en conjunción con los ciclos de polvo dentro de los tubos, origina que
el clínker salga con altas temperaturas por lo que el ratio de recuperación de calor es
bajo. La temperatura de salida del clínker sólo puede reducirse adicionalmente por
inyección de agua dentro de los tubos del enfriador o sobre la carcasa de los mismos.
Dado que es prácticamente imposible extraer aire terciario, el enfriador planetario no es
apto para implantar una precalcinación. Sin embargo, es posible instalar un quemador
auxiliar en la parte de entrada al horno, en la parte baja de la torre de precalentamiento.
En este quemador secundario se puede llegar a quemar hasta un 25% del combustible
(lo más normal es alrededor del 10%).
Proceso de producción y biomasa a utilizar
45
2.1.6.5.2. ENFRIADORES DE PARRILLA
El intercambio en los enfriadores de parrilla se realiza por el paso una corriente de aire
ascendente a través de una capa de clínker (lecho de clínker) depositado sobre una
parrilla permeable al aire. Los enfriadores se clasifican en función de la forma del
transporte del clínker a lo largo de los mismos en: parrilla de movimiento deslizante y
parrilla de vaivén.
El aire que no se utiliza en la combustión, se utiliza para propósitos de secado de
por ejemplo: materias primas, aditivos de cemento o carbón. Si no se emplea para el
secado, este aire tiene que ser desempolvado antes de emitirse a la atmósfera.
Enfriadores de parrilla deslizante
En este tipo de enfriadores el clínker se transporta a lo largo de una parrilla en
movimiento. Esta parrilla tiene las mismas características de diseño que la parrilla del
precalentador (Lepol). El aire de enfriamiento se insufla en compartimentos debajo de la
parrilla, por medio de ventiladores. Las ventajas de este diseño son: Una capa
homogénea de clínker (sin escalones) y la posibilidad de cambiar placas sin parar el
horno. Debido a su complejidad mecánica y pobre recuperación resultado del limitado
espesor del lecho (causado por la dificultad de lograr un cierre efectivo entre la parrilla
y las paredes), este diseño se dejó de emplear en las nuevas instalaciones a partir de
1980.
Enfriadores de vaivén, convencionales
El transporte del clínker en el enfriador de parrilla de vaivén se efectúa por el empuje
progresivo sobre el lecho del clínker de los bordes de ataque de las filas alternadas de
placas. El movimiento relativo de los bordes de ataque se genera mediante
accionamientos hidráulicos o mecánicos (cigüeñal) conectados a cada segunda fila. El
clínker se desplaza desde el final de alimentación al final de descarga, pero la parrilla es
fija.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
46
Las placas de la parrilla se fabrican en acero moldeado resistente al calor y son
básicamente de 300mm de ancho y van taladradas para permitir el paso del aire a través
de ellas.
El aire de enfriamiento se insufla a través de compartimentos situados debajo de la
parrilla por medio de ventiladores de 300 - 1.000mm de presión de columna de agua.
Estos compartimentos están separados unos de otros por tabiques para mantener el
perfil de presión. Se pueden distinguir dos zonas de enfriamiento:
- La zona de recuperación. El aire de enfriamiento caliente producido en esa zona se
emplea para la combustión en el quemador principal (aire secundario) y en el
precalcinador (aire terciario);
- La zona de enfriamiento posterior, donde el aire de enfriamiento adicional enfría el
clínker a temperaturas más bajas.
Las unidades más grandes en funcionamiento tienen una superficie activa de unos 280
m2 y capacidad de enfriamiento de 10.000 t/día de clínker. Los problemas
característicos de estos enfriadores son la segregación y distribución desigual del
clínker, conduciendo al desequilibrio aire- clínker, fluidificación del clínker fino (río
rojo) y también pegaduras (muñecos de nieve) y una baja duración de las placas.
Enfriadores de parrilla de vaivén, modernos
La introducción y desarrollo de la tecnología moderna de los enfriadores de parrilla de
vaivén empezó alrededor de 1983. El diseño proponía eliminar los problemas de los
enfriadores convencionales obteniendo un intercambio térmico más cercano al óptimo y
también enfriadores más compactos empleando menos aire de enfriamiento y sistemas
de desempolvado más pequeños.
Las características clave de la tecnología del enfriador moderno son (dependiendo del
suministrador):
Proceso de producción y biomasa a utilizar
47
- nuevos diseños de placas, fijas o móviles, con menor pérdida de carga, permeables al
aire pero no al clínker
- aireación forzada de las placas
- zonas de aireación regulables individualmente
- entrada fija
- menor nº de parrillas y más anchas
- machacadora de rodillos
- pantallas térmicas.
2.1.6.5.3. ENFRIADORES VERTICALES
Se ha desarrollado un enfriador llamado enfriador de Gravedad o enfriador G para
instalarlo después de un enfriador planetario o de un enfriador/recuperador de parrilla
corta. El aire de enfriamiento nunca entra en contacto con el clínker puesto que el
intercambio térmico se efectúa entre el clínker que desciende sobre tubos de acero
transversales en lecho de clínker, que a su vez se enfrían por el aire soplado a través de
los mismos.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
48
2.1.7. ALMACENAMIENTO DE CLÍNKER Y MOLIENDA DE CEMENTO
Dependiendo de las necesidades de producción el clínker puede pasar a la molienda o
bien almacenarse en silo.
[Fuente: Oficemen]
El clínker salido del horno es almacenado en un depósito cubierto y de allí se lleva a
una Prensa (o molino) de rodillos para una premolienda (reducción de tamaño ) y luego
alimentar la molienda en conjunto con el yeso y la adición , si ésta se requiere.
[Fuente: Oficemen]
Proceso de producción y biomasa a utilizar
49
2.1.7.1. ALMACENAMIENTO DEL CLÍNKER
El clínker y otros componentes del cemento se almacenan en silos o en naves cerradas.
Los sistemas de almacenamiento de clínker más comunes son:
- depósito longitudinal con descarga por gravedad
- depósito circular con descarga por gravedad
- silo de almacenamiento de clínker
- silos esféricos tipo domo.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
50
2.1.7.2. MOLIENDA DE CEMENTO
El proceso de fabricación de cemento termina con la molienda conjunta de clínker, yeso
y otros materiales denominados "adiciones".
[Fuente: Oficemen]
Cuando se fabrica el clínker se ha tenido previamente en cuenta el tipo o los tipos de
cemento que se desean obtener
En esta etapa el clínker se mezcla con el regulador de fraguado (yeso) y con las posibles
adiciones y se introduce en los molinos de bolas para su molienda.
Una vez alcanzada la finura deseada, el producto que obtenemos finalmente es el
cemento.
La molienda de cemento se realiza en equipos mecánicos en las que la mezcla de
materiales es sometida a impactos de cuerpos metálicos o a fuerzas de compresión
elevadas.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
51
Para ello se utilizan los siguientes equipos:
Prensa de rodillos
Molinos verticales de rodillos
Molinos de bolas
Molinos horizontales de rodillos
Una vez obtenido el cemento se almacena en silos para ser ensacado o cargado a granel.
El cemento Portland se produce moliendo juntos clínker y sulfatos tales como yeso y
anhidrita. En los cementos de adición (cementos compuestos) hay otros constituyentes,
tales como escoria granulada de alto horno, puzolanas artificiales o naturales, o filler
calizo. Las adiciones se pueden moler junto con el clínker o pueden necesitar secarse y
molerse por separado. (Las plantas de molienda pueden estar en ubicaciones separadas
de las plantas de producción de clínker).
El tipo de molienda del cemento y el diseño de la instalación, dependen del tipo de
cemento que se vaya a producir. Tienen gran importancia la molturabilidad, la humedad
y la abrasión de los componentes del cemento producido.
La mayoría de los molinos trabajan en circuito cerrado, es decir, pueden separar el
cemento de la finura requerida y devolver el material grueso al molino.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
52
2.1.7.2.1. PESAJE Y DOSIFICACIÓN DE LA ALIMENTACIÓN DEL MOLINO
La exactitud y fiabilidad en el pesaje y dosificación de los componentes alimentados en
el molino, es de gran importancia para conseguir y mantener una alta eficiencia
energética de la molienda. El equipo de pesaje y dosificación mas utilizado son las
básculas pesadoras de banda.
2.1.7.2.2. MOLIENDA
Debido a la variedad de tipos de cemento requeridos por el mercado, predominan los
sistemas de molienda de última generación equipados con separador dinámico de aire.
Los sistemas de molienda más empleados son:
- molino de bolas en circuito cerrado (el porcentaje de adiciones es bastante limitado, si
no son secas o presecadas)
- molino vertical de rodillos (mejor adaptado para porcentajes de adición altos, debido a
su capacidad de secado, mejor adaptado para la molienda separada de
las adiciones)
- prensa de rodillos (el porcentaje de adiciones es bastante limitado, si no son secas o
presecadas)
Otros sistemas de molienda son:
- molino de bolas en circuito abierto
- molino de bolas en circuito cerrado con separador mecánico de aire o separador de aire
de ciclones de antiguas generaciones
- molino horizontal de rodillos
El principio de trabajo de los molinos verticales de rodillos se basa en la acción de 2 a 4
rodillos moledores, soportados en brazos articulados y montados sobre una mesa
horizontal de molienda o pista de rodadura. Está especialmente indicado para el molido
Proceso de producción y biomasa a utilizar
53
y secado simultáneo de materias primas para cemento o escoria, debido a que los
molinos verticales de rodillos pueden manejar contenidos relativamente altos de
humedad en la alimentación del molino. El tiempo de permanencia del material en el
molino es bastante corto para prevenir la prehidratación del clínker, por ejemplo en el
caso de molienda de cemento con escorias.
La prensa de rodillos de alta presión requiere comparativamente, un alto grado de
mantenimiento. Las prensas horizontales de rodillos se emplean muy a menudo en serie
con los molinos de bolas.
Un desarrollo más reciente de la molienda de cemento es el molino de rodillo
horizontal. Este consta de una carcasa anular de gran diámetro y corta longitud
soportado sobre rodamientos hidrostáticos o hidrodinámicos. El anillo cilíndrico gira,
accionado por medio de un engranaje circunferencial. Dentro del anillo hay un rodillo
horizontal que gira libremente y puede ser presionado hidráulicamente contra el cuerpo
cilíndrico. El material a moler se alimenta por uno o dos puntos sobre el rodillo, y se
muele entre el rodillo y el cuerpo cilíndrico. El material triturado que sale del molino se
lleva a un separador y la fracción gruesa se retorna al molino.
2.1.7.2.3. ADICIONES
Las adiciones, compuestos minerales de carácter natural o industrial, se muelen
generalmente junto con el clínker y el yeso. La decisión de molerlas separadamente
depende básicamente de los siguientes factores:
- el porcentaje de adiciones en el producto final y en el total de la producción de
cemento
- si se dispone de una molienda de repuesto
- si hay una considerable diferencia entre la molturabilidad del clínker y las adiciones
- el contenido de humedad de las adiciones.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
54
Si se requiere el presecado de las adiciones, se pueden emplear sistemas de secado
usando tanto los gases de salida del horno y/o el aire de salida del enfriador, como un
generador independiente de aire caliente.
Los materiales utilizables, que están normalizados como adiciones, son entre otros:
- Escorias de horno alto
- Humo de sílice
- Puzolanas naturales
- Cenizas volantes
- Caliza
En función de la composición, la resistencia y otras características adicionales, el
cemento es clasificado en distintos tipos y clases.
En este punto del proceso, la molienda determinará el tipo de cemento. Para ello señala
si es o no adicionado, y la finura con la cual se obtiene la diversidad de productos para
la construcción
En el proceso de molienda, se alimentan los materiales (clínker, yeso, y adición) según
el tipo de cemento a fabricar, y se determina la finura del cemento.
Sistemas de molienda combinada
Cualquiera de los sistemas de molienda mencionados para la molienda seca/semiseca de
materias primas puede emplearse para moler adiciones junto con el clínker y el yeso.
Sin embargo, la mayoría de los sistemas están limitados por el contenido de humedad de
la mezcla alimentada- máximo 2%, o 4% si se emplea un aporte de gases calientes. Para
contenidos de humedad mayores los sistemas requieren el presecado de las adiciones en
un secador. Una excepción son los molinos verticales, que son capaces de manipular
contenidos de humedad de hasta un 20%, pero también requieren un aporte de gases
calientes para el secado.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
55
Molienda separada
Para moler por separado las adiciones, se pueden emplear los sistemas para la molienda
seca/semiseca de las materias primas. De todas formas, si hay un alto contenido de
humedad en la mezcla, será necesario un presecado.
2.1.7.2.4. SEPARACIÓN POR DISTRIBUCIÓN GRANULOMÉTRICA DE LAS
PARTÍCULAS
En el proceso de molienda y a la salida del molino, el material es conducido a través de
un clasificador de partículas que separa las gruesas para reintroducirlas al molino y las
partículas finas se transportan a los silos de cemento.
[Fuente: C.Pfeizer]
La distribución granulométrica de las partículas del producto que sale de la molienda de
cemento es de gran importancia para la calidad del cemento. La regulación de estos
parámetros se logra por el ajuste del separador. La última generación de separadores de
rotor en jaula de ardilla tiene muchas ventajas sobre los diseños previos, tales como:
- bajo consumo específico de energía (menor sobre molido)
- incremento de la capacidad (eficiencia)
- posibilidad de enfriar el producto
- mayor flexibilidad para los ajustes en la finura del producto
- mejor control de la distribución del tamaño de las partículas y por ello mejor
uniformidad del producto.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
56
2.1.8. ALMACENAMIENTO Y EXPEDICIÓN
2.1.8.1. ALMACENAMIENTO
Para transportar el cemento a los silos de almacenamiento, se pueden emplear sistemas
mecánicos y neumáticos. Los sistemas mecánicos normalmente tienen un costo de
inversión más alto pero mucho menor costo de operación que el transporte neumático.
El sistema utilizado más habitualmente es una combinación de transportadores
fluidificados o de rosca, y elevadores de cangilones.
El cemento se lleva por medio de bandas transportadoras o de sistemas neumáticos
hacia los silos de almacenamiento de donde se extrae para ser despachado en bolsas o a
granel.
Generalmente se requieren varios silos para el almacenamiento de los distintos
cementos. Sin embargo, los nuevos diseños de silos permiten el almacenamiento de más
de un tipo de cemento en el mismo silo. Las configuraciones más corrientes de los silos
de cemento son:
- silo de celda única con tolva de descarga
- silo de celda única con cono central
- silo multicelular
- silo domo con cono central
Se emplea aire comprimido para iniciar y mantener el proceso de descarga del cemento
de los silos, inyectándolo en el silo a través de unidades de aireación situados en el
fondo de los mismos.
El cemento se almacena por tipos en silos donde espera a ser ensacado o bien a ser
expedido directamente en forma de granel, según el departamento que programa y
ordena la carga de cemento de acuerdo a la solicitud del cliente
Proceso de producción y biomasa a utilizar
57
2.1.8.2. EXPEDICIÓN
La expedición del cemento se realiza directamente a granel mediante cisternas por
carretera o ferrocarril (o barco), o bien ensacado. Las operaciones de ensacado y
paletizado se realizan en una línea ensacadora.
EMPACADO EN BOLSA
La operación de empacado se hace mediante equipos (empacadoras) que llenan los
sacos y en forma automática una vez completan su peso, son descargados en una banda
transportadora, esta banda puede ir directamente al vehículo o a una paletizadora
automática donde se organiza en grupos de sacos por filas para ser cargado mediante
montacargas a los camiones.
[Fuente: Oficemen]
EMPACADO A GRANEL
Los silos para empacado a granel, los cuales descargan directamente sobre las pipas de
cemento
Proceso de producción y biomasa a utilizar
58
[Fuente: Oficemen]
Para comprobar la calidad de los productos, se efectúan diversos controles a través del
proceso iniciando en la cantera y finalizando en el despacho del Cemento. Contando con
laboratorios para el control de Calidad de productos.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
59
2.2. CARACTERÍSTICAS Y DISPONIBILIDAD DE LA BIOMASA A UTILIZAR
2.2.1. CARACTERÍSTICAS DE LA BIOMASA
Son fuentes de biomasa factibles los residuos agrícolas procedentes del cultivo del
cereal (incluyendo maíz) y girasol, así como los residuos de poda de vid y olivo, los
residuos de industrias de elaboración de aceite y vino (el orujillo en el primer caso y los
raspones en el segundo), y los cultivos energéticos
Los residuos forestales no se han considerado por varias razones en primer lugar, la
dificultad de obtener estimaciones válidas de su potencial, por la dispersión de las
masas forestales y la ausencia de estadísticas apropiadas para esta evaluación, en
segundo lugar, por la poca relevancia de estos residuos en la Comunidad de Madrid
(13.000 tep - toneladas equivalentes de petróleo - según el Plan de Fomento de las
Energías Renovables), y por último, pero no menos importante, la dificultad de
obtención y elevado coste de este residuo
De entre todos estos cultivos, los energéticos son los apropiados para su empleo como
combustible en la producción de cemento.
Los cultivos energéticos son cultivos agrícolas enfocados a la producción de energía.
Por tanto, han sido seleccionados en función de la materia seca producida y del
contenido energético de dicha materia seca, que deben ser elevados. Así, los cultivos
energéticos más estudiados son capaces de ofrecer producciones de entre 15 y 20 t/ha
(aumentando hasta 30 t/ha en regadío), con un PCI de 3800 Kcal/kg.
Existen dos tipos fundamentales de cultivos energéticos para la producción de biomasa
lignocelulósica (hay otros cultivos adaptados a la producción de biocarburantes - etanol
y biodiesel):
cultivos herbáceos y
cultivos leñosos
Proceso de producción y biomasa a utilizar
60
Entre los cultivos herbáceos, los más conocidos son el cardo (Cynara cardunculus), el
miscanto (Miscanthus sinensis), el sorgo dulce (Sorghum bicolor), la caña (Arundo
donax), el kenaf (Hibiscus cannabinus), o el mijo perenne (Panicum virgatum).
Entre los leñosos, los más habituales son el sauce, el chopo, el eucalipto y la acacia.
A continuación se resumen brevemente las características de estos cultivos.
El cardo es la especie más estudiada en España, básicamente por su adaptación a las
condiciones mediterráneas. Es una especie perenne, bien adaptada al ciclo de lluvias
invernales. Brota en otoño y forma una roseta con la que pasa el invierno. En primavera
comienza el crecimiento, y puede ser cosechada al final del verano con un grado de
humedad cercano al 15%. Sin embargo, las raíces y las yemas latentes del tallo
permanecen vivas, formando una nueva roseta en el siguiente otoño. Este ciclo ha
durado experimentalmente hasta ocho años.
Cuando la planta es aún pequeña, es bastante sensible a las bajas temperaturas, que
deberían no ser inferiores a 2° C bajo cero. Una vez formada la roseta, puede resistir
temperaturas mucho menores, de hasta 10° C bajo cero.
Esta especie requiere suelos ligeros, profundos, preferiblemente calizos, con una
capacidad de retención de la lluvia de invierno y primavera hasta 3 m de profundidad.
La producción de cardo oscila entre las 10 t/ha y las 25 t/ha, en función de las
condiciones del terreno y de la pluviometría (estos rendimientos se han observado en
España y también en Grecia e Italia).
En general, se considera que se requieren al menos 400mm de precipitación anual para
obtener rendimientos por encima de las 15 t/ha. Sin embargo, incluso en años de sequía
puede tener rendimientos razonables, gracias a su potente sistema radicular que le
permite extraer el agua de capas inferiores del terreno (aunque esto también es
considerado un inconveniente para su cultivo, por su mayor posibilidad de esquilmar el
terreno).
En algún estudio se ha parametrizado la producción en función de la disponibilidad
hídrica o el índice de rendimiento equivalente de cereales (o índice de comarcalización),
tal como muestra la siguiente tabla.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
61
El análisis de las necesidades de este cultivo (agua, fertilizantes, etc.) se recoge
posteriormente.
En cuanto a sus características como combustible, el contenido energético del Cynara es
similar al de los lignitos pobres, con un poder calorífico superior de 4.000 kcal/kg, y un
poder calorífico inferior de 3.700 kcal/kg.
El resto de características se incluyen en la siguiente tabla.
Poder calorífico inferior (PCI) de 3.700 kcal/kg en base seca
Proceso de producción y biomasa a utilizar
62
En cuanto al resto de cultivos energéticos de alto rendimiento, el comentario general
común a todos ellos es que todas las pruebas de campo analizadas han implicado o bien
riego o bien condiciones de precipitación elevadas. Por tanto, es difícil tratar de estimar
rendimientos para las condiciones mediterráneas en condiciones de secano
En cualquier caso, la impresión general es que en los secanos españoles estos cultivos
mostrarían rendimientos más bien pobres y en todo caso inferior a los del cardo. En la
siguiente tabla se muestran los márgenes de rendimiento de estos cultivos en función de
las condiciones y áreas geográficas.
Como vemos, los más prometedores parecen ser el sorgo dulce, que es una planta con
una elevada eficiencia fotosintética, lo cual se traduce en elevados rendimientos, pero
que necesita riego; el miscanto, que en general está adaptado a zonas húmedas y más
frías (en Galicia se han realizado experiencias interesantes aunque con resultados
Proceso de producción y biomasa a utilizar
63
desiguales), y el Arundo donax, que también tiene una alta productividad pero que
disminuye bastante en ausencia de riego.
Respecto al sorgo dulce, se ha realizado un análisis de rentabilidad económica en las
zonas de regadío del área de estudio, con el fin de evaluar las posibilidades del mismo
como cultivo energético Del mismo se extrae la conclusión de que el precio de venta
requerido para el sorgo es elevado, por encima de los 50€/t en la hipótesis más
favorable, lo que posiblemente hiciese inviable su utilización para fines energéticos.
Así pues, parece aventurado plantear un esquema de abastecimiento de biomasa en base
a cultivos que no sean el cardo, por la falta de experiencias en zonas similares a las del
estudio Si bien existe alguna superficie en regadío en la zona estudiada, su extensión es
anecdótica, y además, como ya hemos visto, el precio a pagar por el cultivo energético
posiblemente sea demasiado elevado.
Por tanto, y como conclusión, se establece únicamente como fuente de biomasa a partir
de cultivos energéticos para este estudio el Cynara cardunculus.
El resto de los cultivos de alto rendimiento no se van a considerar por:
- su falta de adaptación a las condiciones de la zona de estudio,
- la poca experiencia de cultivo en España,
- y, en el caso de los cultivos de regadío (sorgo dulce), por su elevado coste de
producción.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
64
2.2.2. DISPONIBILIDAD DE LA BIOMASA
El presente proyecto considera el empleo de biomasa en la producción de cemento en
base a un estudio de la misma en unas comarcas concretas.
2.2.2.1. COMARCAS
Pasamos a continuación a describir estas comarcas.
COMARCA CAMPIÑA (COMARCA IV)
La Campiña tiene una altitud entre 499-800 m y una superficie total de 108.013 ha.
Administrativamente está compuesta por 31 municipios.
La comarca tiene una topografía suave, con predominio de las terrazas del Jarama y del
Henares.
El substrato geológico dominante está constituido por margas yesíferas, calizas, margas,
yesos y arenas.
El clima es mediterráneo templado seco. Con una temperatura anual media de 12,5-15°
C y una precipitación media entre 400-600mm, con un periodo de heladas de 4-6 meses.
COMARCA SUR-OCCIDENTAL (COMARCA V)
La comarca Sur-Occidental tiene una altitud entre 500-868 m y una superficie de
139.456 ha.
Administrativamente está compuesta por 34 municipios.
La comarca tiene una topografía suave, con alguna presencia montañosa en su zona más
occidental pero con predominio de la meseta, entre los ríos Alberche y Guadarrama.
El substrato geológico dominante está constituido por granitos y gneis en la zona
occidental y arcosas en el resto de la comarca.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
65
El clima es mediterráneo templado húmedo, representativo de las zonas de pie de monte
y cuantos más próximos a la zona sur-centro tiende a un clima más mediterráneo
templado seco. Tiene una temperatura anual media de 12,5-15º C y una precipitación
media entre 400 - 600mm, con un periodo libre de heladas de alrededor de seis meses
COMARCA LAS VEGAS (COMARCA VI)
La comarca Las Vegas tiene una altitud entre 499-800 m. y una superficie de
130.804.456 ha.
Administrativamente está compuesta por 21 municipios.
La comarca tiene una topografía suave, destacando en su orografía las vegas del Jarama,
Alberche y Tajo.
El substrato geológico dominante está constituido por margas yesíferas, calizas, margas,
yesos y arenas
El clima es mediterráneo templado seco Con una temperatura anual media de 12,5-15 °
C y una precipitación media entre 400-600mm, con un periodo de heladas de 4-6 meses
2.2.2.2. DISPONIBILIDAD TOTAL DE BIOMASA EN LAS COMARCAS DE
ESTUDIO
La determinación de la biomasa disponible a nivel de comarca y de municipio se va a
llevar a cabo en distintos escenarios.
Estos escenarios se han construido a partir del análisis de rentabilidad económica de los
cultivos energéticos y del aprovechamiento de los residuos (que se describe en más
detalle en el apartado correspondiente).
A continuación se resumen las principales conclusiones del estudio de rentabilidad:
- Respecto a los residuos, se considera que su coste siempre es competitivo, ya que en
todo caso sólo será necesario empacar la paja de cereal, o reunir los residuos de poda.
Sin embargo, dados los posibles usos alternativos de algunos de ellos, parece arriesgado
suponer escenarios de utilización total de los mismos.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
66
- En lo que respecta a los cultivos energéticos, se han analizado distintos escenarios de
rentabilidad: escenarios en los que el cardo se cultiva únicamente en tierras de retirada
voluntaria del cultivo, escenarios en los que se cultiva en una fracción proporcional de
todas las tierras de cultivo, y escenarios en los que el cardo sustituye directamente al
cereal.
- En todos estos escenarios, la rentabilidad del cultivo del cardo depende de la
productividad del terreno (ya que esta condiciona tanto el ingreso proveniente de los
otros cultivos como la subvención a recibir, mientras que se ha considerado que la
productividad del cardo no cambia significativamente). Así, los precios que deberían
percibir los agricultores para convencerles de cultivar cardo son mayores en la comarca
4, y luego en la 6 y en la 5.
- La rentabilidad del cardo es mayor cuando se cultiva en tierras de retirada voluntaria
(aunque el volumen es muy pequeño) que cuando se cultiva en una fracción
proporcional del terreno La situación más desventajosa es cuando se cultiva como
alternativa al cereal.
- Los precios que habría que pagar por el cardo oscilan entre los 26€/t para la
situación más ventajosa (comarca 5, zonas de retirada) y los 46€/t para la más
desventajosa (comarca 4, sustitución de trigo). A esto habría que sumar una posible
prima de riesgo, ya que para el agricultor supone experimentar un nuevo cultivo que
además va a tener inmovilizada su tierra durante unos años.
- Así, vemos que en la comarca 4 es complicado suponer una alta introducción del
cardo, por cuanto los umbrales de rentabilidad para el mismo son altos. En cambio, en
las comarcas 5 y 6, incluso si sustituyeran directamente a los cereales podrían ser
rentables.
Evidentemente, y adicionalmente al análisis económico, hay que tener en cuenta otras
consideraciones: el cardo es un cultivo novedoso para los agricultores, e incluso en
condiciones de rentabilidad elevada su introducción a gran escala podría llevar un plazo
de tiempo considerable, y requerir del apoyo de las instituciones o cooperativas.
Bajo todas estas consideraciones, los escenarios considerados son:
Proceso de producción y biomasa a utilizar
67
- Escenario I Situación actual con aprovechamiento del 100% de los residuos de
cultivos herbáceos y leñosos.
En este escenario se considera que están disponibles para su aprovechamiento
energético todos los residuos de cultivos herbáceos, de poda de vid y olivo, y de
bodegas y almazaras. Evidentemente, es un escenario optimista por cuanto parece
complicado asegurar el suministro de toda esta biomasa, como ya se ha mencionado.
- Escenario II Situación actual con aprovechamiento del 50% de los residuos.
Como alternativa al escenario anterior, se ha considerado que únicamente sería factible
disponer para su aprovechamiento energético del 50% de los residuos agrícolas y de
industrias de la zona. Aún en esta situación posiblemente fuera necesario asegurar el
suministro mediante contratos.
- Escenario III Introducción del cardo a gran escala.
En esta situación se hace la hipótesis de que el cardo se introduce a gran escala, como
sustituto de los cereales, en aquellas zonas en que su rentabilidad sea manifiestamente
superior a estos (es decir, en las comarcas 5 y 6). En la comarca 4 se supone una
penetración mucho más limitada, ya que puede haber zonas donde sí resulte rentable.
Por otra parte, también seguirían estando disponibles los residuos bajo la hipótesis de
que sólo se puede disponer de un 50% de ellos, como en el Escenario I aunque en un
volumen inferior (ya que se reduce la superficie de cultivos herbáceos por su sustitución
por el cardo). La cantidad de residuos de poda y de almazaras y bodegas se mantiene
igual al del resto de escenarios.
- Escenario IV Introducción del cardo a escala limitada.
En este escenario la situación es similar a la anterior, pero más conservadora en cuanto a
la introducción del cardo como sustituto a los cereales. Así, se consideran unas tasas de
sustitución mucho menores que en el escenario anterior. El volumen de residuos
disponible se mantiene igual al Escenario III.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
68
ESCENARIO 1: SITUACIÓN ACTUAL CON APROVECHAMIENTO DEL
100% DE LOS RESIDUOS DE CULTIVOS HERBÁCEOS Y LEÑOSOS.
En esta situación se llegaría a la obtención de los tep, a nivel de comarca y de municipio
que figuran en los cuadros A, B y C en el caso de que los residuos de los cultivos
herbáceos se dedicaran en el 100% a la producción de biomasa y los residuos de la vid y
del olivo fueran aprovechados en un 100% al igual que las aportaciones de las
almazaras y las bodegas.
Los resultados que se obtendrían son los que figuran en los cuadros siguientes.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
69
Cuadro A
Proceso de producción y biomasa a utilizar
70
Cuadro B
Proceso de producción y biomasa a utilizar
71
Cuadro C
Proceso de producción y biomasa a utilizar
72
ESCENARIO II: SITUACIÓN ACTUAL CON APROVECHAMIENTO DEI 50%
DE LOS RESIDUOS
En este caso se considera que la superficie está dedicada a los cultivos actuales pero la
biomasa potencial de los cultivos herbáceos sólo se aprovecha en un 50%.
El resto de las hipótesis de aprovechamiento de la vid, olivos, almazaras bodegas se
mantienen en las mismas condiciones que en el escenario 1.
Los resultados a los que se llega figuran en los cuadros siguientes.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
73
Proceso de producción y biomasa a utilizar
74
Proceso de producción y biomasa a utilizar
75
Proceso de producción y biomasa a utilizar
76
ESCENARIO III: INTRODUCCIÓN DEL CARDO A GRAN ESCALA
En esta situación se hace la hipótesis de que se cultivan cultivos herbáceos y cardo, en
cada comarca, los porcentajes de la superficie total se resumen en el siguiente cuadro:
El viñedo, el olivar, las almazaras y las bodegas van a continuar con los mismos
aprovechamientos que en los dos escenarios anteriores: plena utilización.
Las características que se han considerado para el cardo de la comarca son:
- producción: 12 t/ha
- biomasa lignocelulósica: 11,04 t/ha
- PCI de la biomasa lignocelulósica: 3.200 kcal/kg
- Energía equivalente (tep) de energía primaria: 3,5328 tep/ha.
La energía disponible en cada uno de los municipios de las diferentes comarcas
aparecen en los siguientes cuadros.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
77
Proceso de producción y biomasa a utilizar
78
Proceso de producción y biomasa a utilizar
79
Proceso de producción y biomasa a utilizar
80
ESCENARIO IV: INTRODUCCIÓN DEL CARDO A ESCALA LIMITADA
En esta situación se hace la hipótesis de que se cultivan cultivos de cardo, en cada
comarca, los porcentajes de la superficie total de barbecho se resumen en el siguiente
cuadro:
El viñedo, el olivar, las almazaras y las bodegas van a continuar con los
aprovechamientos de los dos escenarios anteriores: plena utilización.
Las características que se han considerado para el cardo de la comarca son:
- producción: 12 t/ha
- biomasa lignocelulósica: 11,04 t/ha
- PCI de la biomasa lignocelulósica: 3.200 kcal/kg
- Energía equivalente (tep) de energía primaria: 3,5328 tep/ha.
La energía disponible en cada uno de los Municipios de las diferentes comarcas
aparecen en los siguientes cuadros.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
81
Proceso de producción y biomasa a utilizar
82
Proceso de producción y biomasa a utilizar
83
Proceso de producción y biomasa a utilizar
84
RESUMEN
Un resumen de las tep potenciales que se pueden obtener en escenarios estudiados a
nivel de comarca figura en el siguiente cuadro
Proceso de producción y biomasa a utilizar
85
2.2.3. TECNOLOGÍAS DE OBTENCIÓN DE BIOMASA (CULTIVOS
ENERGÉTICOS) Y SU DISPONIBILIDAD TEMPORAL
Trataremos de identificar las tecnologías de obtención y sus características para la
fuente de biomasa a emplear en el proceso de producción de cemento especificada
anteriormente.
Como ya se ha mencionado, como cultivo energético se ha considerado únicamente el
cardo (Cynara cardunculus) por su adaptación a las condiciones de la zona de cultivo.
Así pues, sólo se estudiarán las tecnologías de obtención de este cultivo.
Existen varias formas de producir el cardo como cultivo energético, que se diferencian
fundamentalmente en la tecnología de recolección. Aquí consideraremos la recogida
con una cosechadora-empacadora, con cosechadora picadora, y con cosechadora de
maíz adaptada.
Las dos primeras son tecnologías “especiales”, en cuanto que no tienen una difusión
amplia a nivel comercial y por tanto su coste puede ser mayor (aunque también su
rendimiento).
A continuación se muestran las operaciones de cultivo necesarias, que son las mismas
para todas las opciones comentadas (a excepción claro está de la recolección).
Dado que la zona de estudio es un secano semiárido, se ha considerado una producción
potencial de cardo de 12.000 kg/ha a efectos de evaluar las tareas de recolección.
En otoño, se alza el suelo para incorporar los restos de la cosecha anterior, y el
fertilizante (NPK 15:15:15), del cual se utilizan unos 1 000 kg/ha. Además, hay que
utilizar herbicidas para evitar que las malas hierbas compitan con las plántulas
Posteriormente, se realiza un abonado de cobertera con Urea. A continuación, se
siembra en líneas de 1 m de ancho, consumiendo entre 2 y 4 kg/ha. Hay que procurar
sembrar lo antes posible, para que las bajas temperaturas no dañen a las plántulas.
Durante el invierno, las malas hierbas son controladas con labores. En primavera, y en
caso necesario, se aplican fitosanitarios para controlar las plagas y enfermedades.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
86
Durante los siguientes años del ciclo de cultivo, se supone que no se necesitan
herbicidas, puesto que el cultivo está firmemente establecido. Sin embargo, hay que
aplicar fertilizante (200 kg/ha de NPK 15 :15 :15) y fitosanitarios.
Desde mediados de Julio a finales de Agosto, se recoge la cosecha, para la que como
hemos comentado existen cuatro opciones: cosechadora-empacadora, cosechadora-
picadora, segadora-picadora, y cosechadora de maíz adaptada.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
87
En la tabla siguiente, se resumen las prácticas de cultivo.
Las fechas de generación del cardo son los meses de julio-agosto.
A continuación se indican gráficamente en el tiempo los volúmenes generados para cada
escenario.
Proceso de producción y biomasa a utilizar
88
ESCENARIO I
ESCENARIO II
Proceso de producción y biomasa a utilizar
89
ESCENARIO III
ESCENARIO IV
Proceso de producción y biomasa a utilizar
90
2.2.4. CONCLUSIONES
Considerando los procesos agrícolas que incluyen labores de cultivo, maquinaria y
materias primas se ha establecido para el estudio económico del presente proyecto un
precio de la biomasa máximo de 46€/t y un precio mínimo de 26€/t.
La biomasa a emplear es considerada como cultivo energético siendo el cardo (Cynara
cardunculus) la especie a emplear.
Sus características son:
Poder calorífico inferior (PCI) de 3.700 kcal/kg.
Densidad real estimada 330 Kg/m3
Proceso de producción y biomasa a utilizar
91
La disponibilidad anual de la biomasa sólo resulta viable como combustible para el
empleo en el proceso de producción de cemento en los escenarios III y IV, siendo:
Escenario III: Introducción del cardo a gran escala con una disponibilidad anual de
284.000 t concentradas en los meses de julio y agosto.
Escenario IV: Introducción del cardo a escala limitada con una disponibilidad anual
de 116.000 t concentradas en los meses de julio y agosto.
Descripción del modelo desarrollado
1
3DESCRIPCIÓN DEL MODELO DESARROLLADO
Descripción del modelo desarrollado
2
3.1.- OBJETIVOS
3.1.1. INTRODUCCIÓN
El alcance del presente proyecto consiste en la evaluación de la introducción de biomasa
como combustible en la producción de clínker en una planta cementera que emplea
como combustible tradicional el coque de petróleo, realizando una comparativa de
aspectos técnicos, ambientales y económicos que supone la sustitución de dicho
combustible.
Dada la importancia patente en el sector cementero de reducir costes de fabricación
derivados del uso de combustibles tradicionales, el presente proyecto tratará de realizar
el estudio de viabilidad económica del empleo de biomasa como combustible parcial
para horno rotativo por vía seca de producción de clínker en una planta cementera que
se tomará como referencia.
Implícitos dentro de este objetivo principal podemos enumerar los siguientes objetivos:
- Compatibilidad técnica del proceso productivo con el empleo de biomasa.
- Beneficios medioambientales del empleo de biomasa como sustitución de coque de
petróleo como combustible.
- Adecuación gracias al empleo de biomasa a las pautas establecidas en el protocolo de
Kyoto.
- Impacto económico derivado del empleo de biomasa como combustible alternativo.
Como base de partida y situación de referencia para realizar la comparativa del estudio
se ha seleccionado el proceso de fabricación de clínker más usual en la actualidad, el
proceso por vía seca.
Descripción del modelo desarrollado
3
Cualquier idea sobre la optimización del proceso de cocción del clínker de cemento
debe incluir la instalación completa puesto que las distintas partes de la misma están
unidas estrechamente entre si por flujos de masas y de energía.
[Fuente: Cemento y Hormigón]
Al diagrama anterior cabría incluir los equipos de depuración de gases de los tres focos
de emisión:
- Dispositivo de extracción del gas (bypass).
- Gases del enfriador de clínker.
- Gases de salida del horno.
Más adelante se definirán los datos iniciales de la planta cementera con los que se va a
comparar la introducción de biomasa como combustible para la cocción de clínker con
el empleo de coque de petróleo.
Descripción del modelo desarrollado
4
Las investigaciones descritas en a literatura técnica se centran en el consumo de energía
de combustible. En general los modelos matemáticos se han ceñido al área del
precalentador y del calcinador y tratan el horno y el enfriador usando ecuaciones
empíricas.
Ya en 1980 Elkjaer describió un modelo con el que era posible calcular el consumo de
calor de un horno con un precalentador de cuatro o cinco etapas y, en su caso, también
un bypass.
Los estudios paramétricos incluían aire falso en la harina, las pérdidas por radiación y
las eficacias de recogida de los ciclones, así como el funcionamiento con un bypass.
Gardeik investigó la influencia de una temperatura reducida de la zona de sinterización
en el consumo de energía de la instalación y calculó un ahorro de aproximadamente un
4,5 % en el caso de una reducción de 1.450 a 1.250° C.
Varios modos diferentes de funcionamiento de una instalación con calcinador y bypass
se investigaron en publicaciones diferentes. Se consideró que el aumento calculado en el
consumo de energía con una proporción creciente de combustible en el sistema de
encendido secundario era debido a una temperatura de gas crudo más alta que podría
utilizarse con una etapa adicional del ciclón. En base a un modelo no descrito en detalle
Rother informó que una quinta etapa adicional del ciclón puede permitir obtener ahorros
significativos si los costes de la energía térmica son elevados y hay proporciones altas
de combustible en el sistema secundario de encendido.
Menzel comparó varios precalentadores de ciclón entre si y llegó a la conclusión de que
los procesos del precalentador más sencillos deberían ser los preferidos debido a los
costes de inversión más bajos, a pesar de sus desventajas en cuanto a la tecnología de
calor.
Descripción del modelo desarrollado
5
3.1.2. DIAGRAMA DE PROCESO GENERAL DE LA PLANTA CEMENTERA EN ESTUDIO
[Fuente: Planta real]
Descripción del modelo desarrollado
6
3.1.3. DIAGRAMA DE PROCESO OBJETO DEL PROYECTO
[Fuente: Planta real]
Observaciones:
- En el diagrama no se representa el dispositivo de extracción de gas (bypass) cuya
fuente de emisión, en caso de resultar necesario, se trataría en el filtro del horno.
- Al filtro del horno llegan y salen los conductos de gases de la preparación de crudo
para la operación de la planta en marcha mixta además de los gases de la torre de
precalentamiento. El alcance del presente proyecto es el estudio en marcha directa, es
decir, considerando el circuito de gases de salida del precalentador exclusivamente.
Descripción del modelo desarrollado
7
3.1.4. METODOLOGÍA DE TRABAJO.
La metodología de trabajo se fundamentará en el estudio sistemático de las partes del
proceso productivo en las que interviene el coque de petróleo en la cocción de clínker
para el posterior análisis de sustitución por biomasa.
Por un lado se realizará un estudio térmico de enfriador, horno e intercambiador de una
planta que emplea coque de petróleo en la producción de clínker para posteriormente
aplicar las necesidades térmicas requeridas al empleo de la biomasa.
El resultado del estudio térmico permitirá obtener un consumo en Kg/h de biomasa
aceptables económica y tecnológicamente para la instalación de producción de clínker.
Paralelamente se evaluará las influencias medioambientales, en concreto, emisiones
atmosféricas, tanto en la situación de referencia como posteriormente en la situación
con biomasa.
El marco legal de referencia al que están sujetas las plantas cementeras en España en lo
relativo a la emisión de contaminantes se muestra a continuación.
Descripción del modelo desarrollado
8
[Fuente: Guía de Mejores Técnicas Disponibles en España de fabricación de cemento]
Descripción del modelo desarrollado
9
España es uno de los mayores consumidores y productores de cemento de Europa, con
un consumo per cápita ligeramente superior a 1 t; aunque es previsible que a medio
plazo este valor disminuya como consecuencia de la desaceleración del sector de la
construcción, tanto en edificación como en obra civil. El sector viene realizando
mejoras en sus instalaciones para optimizar la eficiencia energética y para desarrollar
procesos y productos que requieran menos energía. Para ello han modificado hornos,
sistemas de enfriamiento del clínker y de recuperación de calor de los gases del horno,
además de emplear adiciones minerales que, molidas junto con el clínker, dan lugar a
cementos de prestaciones similares o mejoradas, lo que reduce la fabricación de clínker.
Todas estas mejoras han reducido las emisiones específicas de fabricación de cemento
en el periodo 1975-2002 en un 36 % por energía consumida y un 22% por producto.
Estas mejoras continuas en la eficiencia energética, el empleo de combustibles
alternativos y la fabricación de cementos con menos porcentaje de clínker continuarán
reduciendo las emisiones específicas, llegando en 2010 a 0,677 t CO2/t de producto
fabricado con clínker nacional.
Las plantas de producción de clínker se encuentran adscritas al mercado de emisiones
de gases de efecto invernadero establecido por el protocolo de Kyoto en virtud del
REAL DECRETO 1866/2004, de 6 de septiembre, por el que se aprueba el Plan
nacional de asignación de derechos de emisión,2005-2007, desarrollado de acuerdo al
Real Decreto Ley 5/2004, de 27 de agosto, por el que se regula el régimen del comercio
de derechos de emisión de gases de efecto invernadero, en el que se determina el
número total de derechos de emisión que se asignarán en cada periodo, así como el
procedimiento aplicable para su asignación.
No es objeto del presente proyecto analizar en detalle la distinta legislación relativa al
protocolo de Kyoto, sin embargo, en el estudio económico se cuantificará de manera
razonada un posible valor de venta de emisiones de CO2, considerando el beneficio
económico que supone la reducción de emisiones de este gas de efecto invernadero por
el empleo de biomasa.
El estudio económico incluirá adicionalmente los resultados de la sustitución por
biomasa contemplando la inversión necesaria y los beneficios económicos que esta
supone una vez demostrada su viabilidad técnica, es decir, ahorro en €/Kg de coque de
petróleo con respecto al empleo de biomasa.
Descripción del modelo desarrollado
10
3.2.- DATOS DE LA DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURA EN LAS
DIFERENTES ETAPAS DEL PROCESO
3.2.1. NECESIDAD DEL ESTUDIO DE LA DISTRIBUCIÓN DE
TEMPERATURAS
La modelización matemática de los procesos se encuentra ya muy desarrollada en
muchas ramas de la industria, pero hasta ahora se dispone de muy pocas expresiones
para el proceso de cocción del clínker en los hornos rotativos en la industria del
cemento.
Una razón importante para ello es la complejidad de la transmisión del calor, de la que
en comparación se conoce poco y que tiene lugar simultáneamente con las reacciones
químicas, físicas y mineralógicas.
La medida de la transmisión de calor se centra en los hornos rotatorios y calcinadores y
entre el gas y la harina de crudo en las distintas partes de los ciclones de la torre de
precalentamiento así como entre el aire de enfriamiento y el clínker en el enfriador de
parrilla.
Muchos de los fenómenos asociados a la cocción del clínker se han investigado
individualmente en detalle. Éstos incluyen, por ejemplo, la calcinación, la formación de
las fases del clínker, la combustión de los combustibles y la transmisión de calor en los
lechos de partículas. Estos procesos se conocen hoy en día suficientemente bien como
para poder desarrollar expresiones matemáticas y comparar sus resultados con medidas
prácticas.
El conocimiento de las interacciones entre las diversas partes de la instalación y las
reacciones individuales así como la evaluación de la transmisión de calor en estas partes
resulta particularmente interesante en la determinación de la introducción de biomasa
objeto del presente proyecto.
Un estudio del modelo dinámico de dichas interacciones resulta una tarea demasiado
compleja y entra dentro del campo de la investigación tecnológica y por lo tanto queda
Descripción del modelo desarrollado
11
fuera de las expectativas del presente proyecto, sin embargo, se ha pretendido analizar
las bases sobre las cuáles debería estar fundamentado un modelo dinámico.
Las medidas operacionales para investigar los procesos son complicadas y en muchos
casos no son todavía posibles técnicamente.
Una comparación entre el cálculo y las medidas indicará que las desviaciones pueden
atribuirse generalmente a fenómenos no tenidos en cuenta de forma adecuada en la
modelización. Frente a esta situación puede esperarse una mejora en el conocimiento
del proceso cuando se investiguen y expliquen las diferencias correspondientes y no
puedan ser ocultadas por parámetros que no tienen ninguna influencia en los fenómenos
del proceso.
Una condición previa esencial es que se tenga la mejor concordancia posible entre el
modelo y la realidad.
El cálculo de las interacciones entre los procesos en la situación de estado estacionario
en una instalación completa, -consistente en un precalentador, un calcinador, un bypass
para desviar los gases, un horno y un enfriador – centrará el proyecto, considerando
aspectos derivados del cálculo tales como los sistemas de depuración de emisiones del
proceso así como la evaluación económica completa de la instalación influida por la
introducción de la biomasa.
En los siguientes apartados se tratará de analizar los factores relativos a la formación de
temperaturas necesarias para la producción de clínker en la instalación objeto del
presente proyecto con el fin de conocer de una manera más exhaustiva los factores que
realmente intervienen antes de realizar el balance térmico de la instalación y la
evaluación de las emisiones.
Se considerarán los siguientes aspectos:
- Entradas y salidas.
- Reacciones.
- Transmisión de calor.
Descripción del modelo desarrollado
12
3.2.2. ENTRADAS Y SALIDAS
El análisis de la instalación completa requiere de una definición previa de las entradas y
salidas del proceso.
Debemos distinguir, aunque están íntimamente ligadas, en:
-Entradas y salidas de material.
-Entradas y salidas de calor.
Analizaremos ahora las entradas y salidas de material y más adelante, en el balance
térmico de la instalación, analizaremos las entradas y salidas de calor.
En el proceso de producción de clínker las entradas y salidas de material se pueden
clasificar en:
A.- La materia prima.
B.- El clínker.
C.- El combustible.
D.- Los gases.
[Fuente: Planta real]
Descripción del modelo desarrollado
13
MATERIA PRIMA Y CENIZA DE COMBUSTIBLE.
[Fuente: Cemento y Hormigón]
Cabe destacar que CaO (MgO) puede encontrarse en la materia prima o puede ser
producto de la reacción de CaCO3 (MgCO3).
FASES DEL CLÍNKER.
[Fuente: Cemento y Hormigón]
Descripción del modelo desarrollado
14
CONSTITUYENTES DEL COMBUSTIBLE
[Fuente: Cemento y Hormigón]
CONSTITUYENTES DE LOS GASES
[Fuente: Cemento y Hormigón]
AIRE DE COMBUSTIÓN
Elemento Símbolo %
volumen
Nitrógeno N2 78,08
Oxígeno O2 20,95
Argón Ar 0,934
Anhídrido
Carbónico CO2 0,0314
Otros - 0,145
TOTAL 100,000
[Fuente: “Introducción al estudio de la contaminación y su control”]
Descripción del modelo desarrollado
15
3.2.3. REACCIONES.
La formación de las fases del clínker a partir de la materia prima se realiza por muchas
reacciones individuales de las que las más importantes desde el punto de vista de los
materiales y de la energía se pueden modelar como se indica a continuación:
Reacciones
[Fuente: Cemento y Hormigón]
A continuación se darán más detalles sobre las reacciones anteriores, indicando las
consideraciones realizadas en los cálculos del modelo estacionario del presente
proyecto.
EVAPORACIÓN DEL AGUA LÍQUIDA (REACCIÓN 1)
Cualquier agua líquida que puede estar presente (materia prima y humedad del
combustible) se evapora completamente a una temperatura de 100 - 120° C y pasa a la
fase gaseosa.
En un modelo dinámico se debe suponer que la entalpía de evaporación requerida no se
aplica solamente cuando se alcanza la temperatura de ebullición sino que se tiene en
cuenta continuamente durante el calentamiento hasta que la temperatura llega a la
temperatura de evaporación.
Descripción del modelo desarrollado
16
Esta reacción se tendrá en cuenta en el balance térmico (salida de calor) de la
instalación en el modelo estacionario.
REACCIÓN DEL MONÓXIDO DE CARBONO (CO) EN LA FASE GASEOSA
(REACCIÓN 2)
En un modelo dinámico debe haber una temperatura mínima de 620° C para que se
produzca la conversión del CO a CO2. Si es éste el caso, entonces la entalpía de la
reacción se supone igual a 10.100 kJ / kg CO. La cantidad convertida se determinaría
mediante una temperatura límite superior de 670° C. Por encima de esta temperatura se
supone que la conversión es completa. A las temperaturas entre la temperatura mínima y
la temperatura límite la conversión se considera linealmente dependiente de la
temperatura final obtenida en el espacio de la reacción.
En el modelo estacionario se considera que la combustión completa del carbono no se
produce siendo las reacciones siguientes de combustión incompleta las consideradas
para la determinación de la emisión de CO2.
REACCIÓN DE LOS CONSTITUYENTES ORGÁNICOS EN LOS SÓLIDOS
(REACCIONES 3 Y 4)
El carbono en los sólidos puede proceder tanto de la materia prima como del
combustible no quemado completamente. Dependiendo del suministro de oxígeno
disponible y de la temperatura, el carbono reacciona para formar CO2 o CO o incluso
puede surgir inalterado del área particular de equilibrio.
Según un modelo dinámico las reacciones empiezan a una temperatura de 450º C y se
completan a los 750º C en el supuesto de que se disponga de oxígeno suficiente.
Se ha considerado que el carbono implicado en el modelo estacionario es
exclusivamente el contenido en el combustible, consumiéndose la totalidad del mismo
en la producción de CO2.
Descripción del modelo desarrollado
17
COMBUSTIÓN (REACCIONES 3 A 6)
En el proceso de cocción del clínker pueden quemarse varios tipos de combustible.
La composición de los gases del flujo resultante está gobernada por la composición del
combustible usado así como por la composición del gas local (sobre todo el oxígeno
disponible) y se determina en el modelo con la ayuda de las ecuaciones de las
reacciones químicas.
Este procedimiento hace posible tener en cuenta no sólo los combustibles habituales
sino también los alternativos como en nuestro caso la biomasa.
- Modelo dinámico
El comportamiento de la combustión se modela dinámicamente despreciando los efectos
cinéticos y formando una conexión matemática en serie de varias áreas de equilibrio, en
las que en cada caso el cálculo abarca solamente la conversión de parte del combustible
total utilizado, por ejemplo, en el horno rotatorio.
La composición del gas del flujo resultante depende, entre otras cosas, de la cantidad
pertinente de oxígeno disponible.
Si el oxígeno está presente en cantidad suficiente se supone que el carbono, el
hidrógeno y el azufre se convierten totalmente en CO2, H2O y SO2.
Las reacciones no se completan si hay una falta de oxígeno.
En este caso se supone que es el hidrógeno el que se convierte preferentemente y
cualquier oxígeno restante se emplea luego para reaccionar con el azufre.
Las reacciones del carbono para formar CO y CO2 se desarrollan en último lugar.
Descripción del modelo desarrollado
18
Cualquier hidrógeno de los sólidos que no se han convertido en estas reacciones pasa a
la fase gaseosa mientras que el azufre y el carbono continúan permaneciendo en la fase
sólida.
La temperatura de los gases del flujo se determina en el modelo dinámico con la ayuda
de un equilibrio de energía para el área de equilibrio particular.
El primer paso es calcular la composición y cantidad de los gases del flujo resultantes
de las reacciones químicas mencionadas anteriormente.
En el siguiente paso la cantidad de calor liberada durante la combustión se determina
con la ayuda del valor calorífico.
Al aplicarlo a la cantidad del gas del flujo y la ceniza resultante se obtiene la
temperatura teórica de combustión.
La ceniza del combustible que se mezcla con los otros sólidos en la zona de combustión
particular también se tiene en cuenta en el cálculo dinámico.
En el sistema de encendido primario, por ejemplo, forma inicialmente uno de los
constituyentes del polvo arrastrado en los gases antes de que sea captado por el horno o
los ciclones del precalentador de acuerdo con sus eficacias de captación.
Luego se mezcla con a corriente local de sólidos y contribuye a las reacciones de los
sólidos de acuerdo con su composición.
-Modelo estacionario
Las reacciones de combustión en el modelo estacionario se aplican a partir de los
constituyentes del combustible C, H, N, S que se consumen totalmente considerando O2
suficiente para la formación de CO2, H2O, NOx, SO2 y SO3.
La temperatura en el modelo estacionario es tratada desde la perspectiva de la
transmisión de calor con el fin de comprobar el orden de magnitud de las pérdidas por
Descripción del modelo desarrollado
19
radiación y convención que se han de incluir en el balance térmico de la instalación,
gracias al cálculo de la temperatura de la llama. No se calcula la temperatura de los
gases en estado estacionario, estimándose un valor de temperatura de salida de los
mismos.
CALCINACIÓN (REACCIONES 7 Y 8)
Se supone que el rango de temperaturas para la calcinación está comprendido entre 550
y 960º C, durante los que se expele CO2 en fase gaseosa procedente del CaCO3 y del
MgCO3. Se adoptan como entalpías de disociación 1.780 kJ / kg CaCO3 y 1.395 kJ / kg
MgCO3 respectivamente.
En el modelo estacionario se considera la formación de CO2 en base a una reacción
completa de los carbonatos en presencia de suficiente O2, las entalpías de reacción no se
consideran ya que en el balance térmico la salida de calor de los gases las incluye.
FORMACIÓN DE FASES DEL CLÍNKER (REACCIONES 9 A 14)
Las fases minerales del clínker de acuerdo a los compuestos de R.H. Bogue son:
C3S (silicato tricálcico o alita): 3CaO.SiO2
C2S (silicato dicálcico o belita): 2CaO.SiO2
C3A (aluminato tricálcico o aluminato): 3CaO.Al2O3
C4AF (aluminatoferrítico tetracálcico o ferrita): 4CaO.Al2O3.Fe2O3
Bogue estableció fórmulas experimentales para la determinación de estos compuestos a
partir de los compuestos elementales de la harina de crudo:
C3S = 4,071CaO - 7,600SiO2 - 6,718Al2O3 - 1,430Fe2O3 - 2,852SO3
C2S = 2,867 SiO2 - 0,754C3S
C3A = 2,650Al2O3 - 1,692Fe2O3
C4AF = 3,043Fe2O3
Descripción del modelo desarrollado
20
Las fases del clínker C3S, C2S, C3A y C4AF se producen a partir de los productos
intermedios CA, C2F y � C2S. Las conversiones y entalpías de reacción son las
propuestas por Rosemann.
Podemos establecer la reacción general de la siguiente manera:
12CaO + 2SiO2 + 2Al2O3 + Fe2O3 → 3CaO.SiO2 + 2CaO.SiO2 + 3CaO.Al2O3 +
4CaO.Al2O3.Fe2O3
En el modelo estacionario se emplearán los compuestos elementales de la harina de
crudo para calcular el calor necesario de clinquerización como se explicará más
adelante.
FORMACIÓN DE LA FASE LÍQUIDA (REACCIÓN 15)
Se supone que la formación de la fase líquida tiene lugar por encima de los 1.280º C.
El cálculo dinámico se basa en el supuesto de que en el rango de temperaturas entre
1.280 y 1.450º C las fases del clínker C3A, C2F y C4AF pasan completamente a la fase
líquida y que un 5% de la C2S pasa a la fase líquida.
Se supone que la entalpía de formación de la fase líquida es 600 kJ / kg líquido.
El modelo estacionario tiene en cuenta en el balance térmico solamente el calor de
salida del clínker a la salida del enfriador.
La variación con la temperatura de todos los parámetros de los materiales (densidad,
calor específico, conductividad térmica, viscosidad dinámica) de los sólidos, gases y el
agua se tiene en cuenta mediante las expresiones polinómicas usuales en el modelo
dinámico.
Descripción del modelo desarrollado
21
3.2.4. TRANSMISIÓN DE CALOR
A continuación analizamos los mecanismos de transmisión de calor en el interior del
horno rotativo de clínker con el fin de obtener un orden de magnitud aceptable de
pérdidas de calor a incluir en el balance térmico.
En los apéndices se incluyen los conceptos generales de la transmisión de calor.
De acuerdo con la bibliografía consultada la radiación es el mecanismo dominante de
transferencia de calor en el horno de cemento considerándose que contribuye por
encima del 95% de la transferencia de total de calor en la zona de quemado.
Los gases mono y diatómicos (N, O2) producen una radiación prácticamente nula, por lo
que son un lastre en la radiación térmica.
En cambio, gases con un alto número de átomos (H2O, CO2, SO2) producen una alta
radiación (longitudes de onda � en �m altos en el rango del infrarrojo).
La dependencia de la radiación del gas en la temperatura es distinta que en los sólidos
(cambian los exponentes de la ley de Stefan Boltzman).
Shack desarrolló fórmulas para calcular el calor radiado por el CO2 y H2O, modificando
las condiciones de combustión:
- Incrementando la temperatura de llama.
- Incrementando la concentración de CO2 y H2O
- Incrementando el diámetro del horno a límites máximos
La aerodinámica del horno y la cantidad de aire que se introduce así como las
características de la llama con recirculación externa que comentaremos más adelante
influyen en la forma de la llama y por lo tanto en el perfil de temperaturas o flujos de
calor.
Descripción del modelo desarrollado
22
Técnicas de modelado matemático y físico determinan la longitud y forma de la llama
para obtener el perfil de temperaturas o flujos de calor.
[Fuente: Energie. Comisión Europea].
Un perfil de llama excesivamente largo y bajo que se pueda poner en contacto conla
materia prima para la formación del clínker produce efectos no deseados como la
formación de cristales excesivamente grandes de alita (C3S) y belita (C2S) poco
beneficiosos para la calidad del clínker.
Por lo tanto los gases de la llama generada por el combustible pasan su calor
principalmente por radiación y sólo un pequeño grado de contacto directo con el
material a quemar se realiza por convección.
Se admite entonces que todo el calor radiado por la llama es transmitido a todo el
volumen de aire que la rodea de forma instantánea y por lo tanto sólo interesan los
efectos de convección del aire a las paredes del horno y al clínker.
El estudio de la conducción resulta interesante con el fin de determinar el calor que sale
del proceso por las paredes del enfriador, horno rotativo y precalentador.
El horno de cemento, generalmente se llena sólo en torno a un 13% de su volumen por
lo que la mayor parte del calor es transferida al revestimiento del horno y la
alimentación recibe una pequeña porción del volumen total de calor.
En los apéndices se incluye el cálculo del llenado del horno de la instalación del
proyecto (15,8%), para lo cual ha sido necesario el cálculo del tiempo de residencia del
material en el horno (41 min.) que también se ha incluido en los apéndices.
Descripción del modelo desarrollado
23
Con el fin de profundizar en los mecanismos de transmisión de calor comentados
anteriormente y obtener un orden de magnitud de calor de salida que permita su
inclusión justificada en el correspondiente balance térmico, se ha procedido a realizar el
cálculo aproximado de la radiación y convección que se produce en el horno rotativo del
presente proyecto.
[Fuente: “The cemen plant operations handbook”].
Los cálculos se presentan en los correspondientes apéndices y para su realización ha
sido necesario el cálculo de la temperatura y la longitud de la llama, que también han
sido incluidos en los apéndices.
La principal conclusión que se extrae de los cálculos realizados es que en el balance
térmico se ha de incluir una salida de calor fruto de la conducción del calor a través del
refractario y de la superficie metálica del horno.
Este calor es el producido por la radiación y la convección y que no se ha empleado en
la cocción del clínker.
La radiación que se produce en el horno rotativo del proyecto es del orden de las 1.000
Kcal / Kg ck y la convección es del orden de las 25 Kcal / Kg ck, siendo inferior el
valor a incluir en el balance térmico puesto que este calor es desprendido en menor
medida a través del refractario y carcasa metálica del horno.
Descripción del modelo desarrollado
24
El enfriador de clínker y el precalentador de ciclones son otras fuentes de salida de calor
que al igual que el horno no tienen la posibilidad de aislarse totalmente y sufren
pérdidas de calor en sus diferentes partes.
En el balance térmico tanto en la situación de referencia como en la situación con
biomasa se considerarán salidas de calor las originadas por la radiación y la convección
en el enfriador, horno y precalentador con unos valores de 7’53, 60’07 y 16’64 Kcal /
Kg ck respectivamente, que se encuentran dentro del orden de magnitud de la
bibliografía consultada y resultan lógicos después de realizar los cálculos aproximados
en el horno rotativo.
Descripción del modelo desarrollado
25
3.2.5. GENERALIDADES DEL BALANCE TÉRMICO
Como se ha comentado anteriormente el proceso de formación de clínker tiene una serie
de entradas y salidas de calor que analizaremos en detalle en el balance térmico de la
instalación del proyecto.
El estudio de los procesos térmicos y de paso de material en el interior del horno
rotativo ha sido realizado previamente con el fin de obtener una idea más concisa para
obtener un balance térmico de la instalación.
En los apéndices se describen las características del horno empleado para el estudio del
presente proyecto y que se han empleado en los cálculos previos.
De manera general se puede establecer la siguiente distribución de temperaturas para un
horno rotativo sin conectar a un precalentador a lo largo de su longitud (horno de vía
húmeda).
% de la longitud Zona Temperatura del material
º C
33 Secado >120
14 Precalentamiento 100-500
25 Calcinación 550-1.100
20 Sinterización o quemado 1.100-1.450
8 Enfriamiento 1.450-1.380
[Fuente: “The cement data book”].
Otra distribución de temperaturas consultada en la bibliografía establece un rango de
temperaturas y calor teórico de formación de clínker semejante al anterior,
diferenciando entre calor de entrada y calor de salida:
Descripción del modelo desarrollado
26
Calor de entrada
Proceso térmico º C Kcal/Kgck
Calentamiento del crudo 20-450 170
Deshidratación de la arcilla 450 40
Disociación del MgCO3 450-900 195
Disociación del CaCO3 900 475
Clinquerización 900-1.400 125
Fusión 25
TOTAL 1.030
[Fuente: “The cemen plant operations handbook”].
Calor de salida
Proceso térmico º C Kcal/Kgck
Cristalización exotérmica de la arcilla deshidratada 10
Formación exotérmica de los compuestos del cemento 100
Enfriamiento del clínker 1.400-20 360
Enfriamiento del CO2 900-20 120
Enfriamiento y condensado de vapor 450-20 20
TOTAL 610
[Fuente: “The cemen plant operations handbook”].
Descripción del modelo desarrollado
27
Nótese que calor de entrada - calor de salida = 1.030 - 610 = 420 Kcal/Kgck. Esta
diferencia de calor es empleada en el proceso para realizar el secado de la harina de
crudo en el circuito de molino durante la marcha mixta.
Se puede aceptar que el calor de formación de clínker dependerá en gran medida de la
composición de la harina de crudo que se emplee. De esta manera se establecen
expresiones experimentales que determinan el calor necesario para la formación del
clínker y que definiremos en el balance térmico de la instalación.
De estos datos se desprende que existen dos procesos básicos que ocurren en un horno
rotativo para la producción de clínker. Un proceso termoquímico y un proceso de paso
de material. El estudio de ambos procesos en un modelo dinámico permite la obtención
de un perfil de temperaturas.
Hemos analizado anteriormente las reacciones que tienen lugar en el proceso de
producción de clínker y el tiempo de residencia del material en el proceso.
Cabe destacar que la reacciones que se producen en el interior del horno se solapan
parcialmente o incluso se producen en paralelo a lo largo de la longitud del horno,
siéndo éste hecho junto con la dificultad de obtener medidas experimentales la
complicación de establecer un modelo dinámico del proceso de cocción del clínker.
Descripción del modelo desarrollado
28
Podemos modelar los procesos térmicos en base a las reacciones que se producen y
asociarlas a un equipo de la siguiente manera:
Equipo Proceso térmico Reacción
Secador de crudo Secado del crudo Evaporación de la
humedad del crudo
Precalentador Precalentamiento del crudo
Desprendimiento de la
humedad de la sustancia
arcillosa o deshidratación de
la arcilla.
Precalentador Calentamiento del crudo Disociación del
carbonato de magnesio.
Precalentador
Calcinador Calcinación
Disociación del
carbonato cálcico o reacción
de calcinación.
Horno Sinterización o quemado
Combinación de la cal
con los minerales arcillosos
para la formación de los 4
minerales principales del
clínker.
Horno Fusión
Enfriador Enfriamiento
[Fuente: Elaboración propia].
Descripción del modelo desarrollado
29
3.2.6. CONCLUSIONES
Hemos realizado un pequeño estudio de todos los condicionantes que establecen la
necesidad de una distribución concreta de temperaturas a lo largo del proceso de
formación del clínker.
Se ha calculado el tiempo de residencia del material en el horno, su llenado, la
temperatura y longitud de llama que produce el combustible además de los efectos de la
radiación y la convección.
En el proceso hay unas entradas y salidas de material cuyo calor asociado a la harina de
crudo, el combustible, el clínker producido y el polvo que sale de la instalación debe
considerarse en el balance térmico.
Asociadas a estas entradas de material existe un caudal de gases de combustión que se
calienta en el proceso y también debe considerarse en el balance térmico.
Se ha analizado la necesidad de un calor de formación del clínker que también debe
considerarse en el balance térmico.
La humedad está presente y por último la radiación y la convección afectarán al balance
térmico.
De este modo el balance térmico de la instalación que trataremos más adelante
considerará las siguientes entradas y salidas de calor.
- Entradas de calor
Alimentación al horno
Combustible
Aire seco total introducido para la combustión
Descripción del modelo desarrollado
30
- Salidas de calor
Clinquerización
Evaporación de humedad
Gas de salida de precalentador:
Polvo de salida de precalentador
Gas del bypass y Polvo del bypass
Gas (aire) de salida de enfriador
clínker de salida del enfriador
Radiación y convección
Finalmente las reacciones que se producen en el proceso servirán para analizar las
emisiones que se producen tanto en la situación de referencia como en la situación con
biomasa
Descripción del modelo desarrollado
31
3.3.- DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE CÁLCULO
3.3.1. BALANCE TÉRMICO
La evaluación del empleo de biomasa para la producción de clínker requiere del estudio
del balance térmico de la instalación completa, es decir, las entradas y salidas de calor
del proceso de clinquerización cuyo estudio se ha introducido en el apartado anterior.
A continuación se describen las entradas y salidas consideradas en el modelo para
presentar posteriormente el cálculo del balance térmico de la instalación en la situación
de referencia con coque de petróleo y en la situación con biomasa.
- Entradas de calor
Alimentación al horno
Combustible
Aire seco total introducido para la combustión
Otras entradas de calor posibles
- Salidas de calor
Clinquerización
Evaporación de humedad
Gas de salida de precalentador:
Polvo de salida de precalentador
Gas del bypass y Polvo del bypass
Gas (aire) de salida de enfriador
clínker de salida del enfriador
Radiación y convección
Otras salidas de calor posibles
Descripción del modelo desarrollado
32
3.3.1.1. ALIMENTACIÓN AL HORNO
La producción de clínker de la instalación requiere un consumo de harina de crudo
determinado que se alimenta a la torre de ciclones del precalentador mediante un
elevador de cangilones.
La harina de crudo se alimenta al precalentador a una temperatura y un calor específico
determinados que servirán para el cálculo de parte del calor específico (Kcal/Kgck) de
entrada a la instalación.
En la situación con biomasa esta entrada de calor no se ve alterada ya que se pretende
mantener la misma producción de clínker.
A lo largo de todo el estudio del proceso realizado en el presente proyecto no se ha
identificado ninguna variable que afecte al consumo de harina de crudo por el empleo
de biomasa.
No se ha realizado en el presente proyecto un estudio de la cantidad de harina de crudo
con una composición determinada para la obtención de una cantidad de clínker con una
composición determinada (Kghc/Kgck) que pudiera ser de utilidad para el director de
operaciones de la planta. En la instalación en estudio el factor es de 1,695 Kghc/Kgck,
siendo éste un valor común en las instalaciones de producción de clínker.
A continuación se muestran las características de la harina de crudo empleada en la
instalación del presente proyecto.
Descripción del modelo desarrollado
33
Valor Unidad
Consumo de harina de crudo húmeda 107,500 t/h
Humedad de harina de crudo 0,093 % en peso
Consumo de harina de crudo seca 107,400 t/h
% en peso de Óxido de Silicio en crudo 13,550 %
% en peso de Óxido de Aluminio en crudo 3,060 %
% en peso de Óxido de Hierro (III) en crudo 1,790 %
% en peso de Óxido de Calcio Total en crudo 43,800 %
% en peso de Óxido de Magnesio en crudo 0,510 %
% en peso de Óxido de Potasio en crudo 0,670 %
% en peso de Trióxido de Azufre en crudo 0,080 %
[Fuente: Planta real].
Descripción del modelo desarrollado
34
[Fuente: Planta real].
Descripción del modelo desarrollado
35
3.3.1.2. COMBUSTIBLE
El combustible es la variable principal de estudio del presente proyecto puesto que se
pretende evaluar la sustitución de coque de petróleo por biomasa para la producción de
clínker en una instalación de producción de referencia.
El consumo y el P.C.I. serán los parámetros determinantes de la entrada de calor para la
producción de clínker y verán modificados sus valores dependiendo de si nos
encontramos en la situación de referencia o en la situación con biomasa.
En el balance térmico se realizará la sustitución de coque de petróleo por biomasa
respetando la humedad inicial del coque de petróleo siendo ésta una variable limitadora
de la introducción de biomasa como veremos más adelante
Descripción del modelo desarrollado
36
3.3.1.2.1. COMENTARIOS RELATIVOS AL COMBUSTIBLE EN LA
SITUACIÓN DE REFERENCIA
Los combustibles sólidos como el coque de petróleo tienen constituyentes minerales y
orgánicos, además de la humedad (H2O) que poseen:
- Carbono (C)
- Hidrógeno (H)
- Azufre (S)
- Nitrógeno (N)
- Cenizas.
- Material volátil
Los componentes combustibles (C, H, S) combinados con el oxígeno del aire generan
calor, por lo que a mayor cantidad de componentes combustibles más calor se
producirá.
Para evaluar un combustible sólo se consideran C e H. El S no se desea puesto que un
producto de combustión del S es el SO2 que combinado con H2O produce H2SO3 (ácido
sulfúrico) que es altamente corrosivo.
Parte del S en forma de polvo del combustible se fija en el clínker en el proceso de
cocción del mismo.
Una parte mínima de S es necesaria para sulfatar los óxidos alcalinos de la harina de
crudo creando sulfatos alcalinos con fases muy estables que se fijan al clínker
reduciendo la circulación de alcalinos en el horno, efecto que da pie a la instalación de
un dispositivo de extracción de gas o bypass. En el apéndice correspondiente se evalúa
la no necesidad de la instalación de un bypass en el proceso del presente proyecto.
Cenizas y humedad no son deseables en un combustible, se llaman contenidos inertes.
Descripción del modelo desarrollado
37
Los principales constituyentes de las cenizas son compuestos de sílice y alúmina. Estos
compuestos se combinan con la harina de crudo y son prácticamente absorbidos en su
totalidad por el clínker. El contenido y composición de las cenizas influye en el cálculo
de la composición del crudo, por lo que es deseable emplear un combustible con un
contenido bajo en cenizas.
En las fases de preparación del combustible el contenido en cenizas debe tenerse en
cuenta ya que el índice de abrasión es función del mismo.
Para iniciar la combustión se necesita cierto grado de humedad (entre el 1 y el 5% para
el carbón pulverizado), ya que un combustible sólido como el coque de petróleo no
reaccionaría con el oxígeno atmosférico y sería difícil conseguir una ignición. Para
desencadenar las reacciones que producen CO y CO2 es necesario radicales OH.
Los combustibles sólidos tienen dos tipos de humedad, la inherente y la superficial. A
mayor humedad inherente más reactivo es el combustible.
La química del combustible por tanto debe tenerse en cuenta en la elaboración de de la
harina de crudo para evitar excesos de humedad tanto en el combustible como en la
harina.
En el balance térmico del proyecto se ha establecido como criterio de sustitución que la
biomasa debe tener el mismo grado de humedad que el coque de petróleo.
Dependiendo del contenido de material volátil la llama que produzca el combustible
será más o menos larga. A mayor contenido de volátiles el combustible alcanza la
temperatura de ignición y se quema más rápido. Una vez que los volátiles se eliminan
en la combustión la partícula de coque de petróleo queda “abierta” y cuanto mayor sea
más rápido quema.
Otro parámetro fundamental del combustible es el poder calorífico del mismo, es decir,
el calor que suministra por unidad de combustible, determinado calorimétricamente en
laboratorio.
Descripción del modelo desarrollado
38
Dulong’s desarrolló una fórmula para la aproximación en el cálculo del poder calorífico
inferior (P.C.I.) en función del contenido de C, H, O2, S y H2O. Existen otras técnicas
como el cálculo por pérdidas separadas. Todos estos métodos tienen sus ventajas e
inconvenientes.
En la situación de referencia del presente proyecto se considera como combustible
óptimo para la producción el coque de petróleo con las siguientes características y
consumos:
Valor Unidad
Consumo de combustible molido y húmedo 6,720 t/h
Humedad del combustible 0,595 % en peso
Consumo de combustible molido y seco 6,680 t/h
Consumo de combustible en quemador del horno 5,905 t/h
Consumo de combustible en quemador del
precalcinador 0,775 t/h
Medida de consumo de combustible molido y seco 7,528 t/h
Medida en quemador del horno 6,654
Medida en quemador del precalcinador 0,874
Error de medida de consumo de combustible molido y
seco 11,265 %
P.C.I. de combustible (Kg en base seca) 7961,000 Kcal/Kg
Materias volátiles en combustible en base seca 10,500 % en peso
Cenizas en combustible en base seca 3,380 % en peso
Carbono C en combustible en base seca 75,493 % en peso
Hidrógeno H2 en combustible en base seca 3,023 % en peso
Azufre S en combustible en base seca 6,140 % en peso
Nitrógeno N en combustible en base seca 1,464 % en peso
Índice Hardgrove 40,500 adimensional
[Fuente: Planta real].
Descripción del modelo desarrollado
39
El control estadístico tras el análisis químico arroja los siguientes valores.
[Fuente: Planta real].
Descripción del modelo desarrollado
40
3.3.1.2.2. COMENTARIOS RELATIVOS AL COMBUSTIBLE EN LA
SITUACIÓN CON BIOMASA
[Fuente: Estudio IIT, UPCo].
Poder calorífico inferior (PCI) de 3.700 kcal/kg en base seca.
Precio de la biomasa máximo: 46€/t
Precio de la biomasa mínimo: 26€/t
Disponibilidad anual máxima: 284.000 t
Disponibilidad anual mínima: 116.000 t
Descripción del modelo desarrollado
41
3.3.1.2.3. PUNTOS DE INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE
La combustión en la situación de referencia del proyecto tiene lugar en dos zonas:
- En el mechero principal, situado en la parte más baja del horno rotatorio e insertado en
la caperuza tal y como se indica en el esquema del apéndice correspondiente.
La llama alcanza una temperatura cercana a los 2.000º C. Los gases de combustión se
mantienen a más de 1.200º C durante un tiempo superior a 5 segundos, en atmósfera
oxidante.
- En la zona del horno en que se produce la descarbonatación de la caliza (calcinación).
La combustión se realiza a temperaturas cercanas a los 1.200º C, manteniéndose los
gases a una temperatura superior a 850º C durante unos 3 segundos.
Se dispone de una cámara de combustión en la parte baja de la torre de ciclones
(precalcinador), donde se realiza la combustión con aporte de aire caliente (aire
terciario) proveniente del enfriador de clínker.
La distribución del consumo de combustible de acuerdo a los puntos de inyección
anteriormente descritos en la situación de referencia es la indicada en las características
del combustible antes incluidas.
El modelo de balance térmico de la instalación se realiza con la totalidad del
combustible por lo que en la situación con biomasa se respetarán las mismas
proporciones de consumo en los dos puntos de inyección de la instalación.
El punto de inyección de la biomasa será el mechero principal debido a la facilidad de
introducción de la biomasa en forma pulverulenta por uno de los posibles canales de
suministro de combustibles alternativos generalmente disponibles en las plantas de
producción de clínker.
Descripción del modelo desarrollado
42
3.3.1.2.4. PROCESO DE COMBUSTIÓN
En todo proceso de combustión se producen las siguientes etapas:
- Mezcla.
- Ignición.
- Reacción química.
- Dispersión de los productos de combustión.
La combustión depende fundamentalmente de la etapa más lenta, generalmente la
mezcla, por lo tanto la combustión se controla a través de ella. Una mezcla pobre
produce una combustión incompleta produciendo CO y desaprovechando el potencial
calorífico del combustible como se explica en el apéndice relativo a la estequiometría.
Para una correcta combustión es necesario asegurar una cantidad adecuada de cantidad
de aire para una mezcla completa además de que el diseño del quemador permita esta
mezcla.
No es objeto del presente proyecto analizar en detalle las condiciones físicas en las que
se realiza la mezcla en el quemador del horno y del precalcinador, existiendo literatura
especializada al respecto.
Como primera aproximación cabe destacar la interacción entre aire primario y
secundario (recirculación externa) en las inmediaciones de la llama que determinan las
características de la misma.
Modelo de recirculación externa de un jet confinado
[Fuente: “The cemen plant operations handbook”].
Descripción del modelo desarrollado
43
Características de llama con y sin recirculación externa
[Fuente: “The cement plant operations handbook”].
La aerodinámica de la caperuza del horno y la localización del quemador resulta
esencial para considerar estos aspectos.
[Fuente: “The cemen plant operations handbook”].
Descripción del modelo desarrollado
44
Cuanto mejor sea la recirculación interna justo enfrente de la boquilla del quemador
mejor será la estabilidad de la llama. Esto se consigue direccionando aire primario y/o
combustible en forma de espiral.
Se ha comprobado experimentalmente que velocidades de coque de petróleo de entrada
mayores a 80 m/s provocan grandes inestabilidades de llama.
Los quemadores de los precalcinadores generalmente son tuberías insertadas en cámaras
de combustión, donde el combustible entra en contacto íntimo con la harina de crudo,
no siendo significativo la estabilidad de la llama ya que el aire de combustión (aire
terciario) se encuentra precalentado por encima de la temperatura de ignición de los
gases de la cámara de combustión. Al no tener especial consideración estos quemadores
en cuanto a su diseño resulta imprescindible evitar transferencias de calor
descontroladas que pueden afectar a la calidad del clínker. Estos quemadores son origen
de grandes cantidades de CO (típicamente por encima de 1000ppm).
La tendencia actual es a tener más en consideración la aerodinámica del calcinador con
los quemadores para optimizar la combustión y la transferencia de calor.
Analizamos las etapas que intervienen en el proceso de combustión:
A. MEZCLA
En nuestro caso el coque de petróleo se comienza a mezclar con el aire atmosférico
mientras es transportado al quemador.
A este aire se lo denomina aire primario de combustión.
B. TEMPERATURA DE IGNICIÓN
Es la temperatura superficial del combustible a la cual las reacciones de combustión
alcanzan una velocidad tal que asegura el quemado ininterrumpido del combustible.
Descripción del modelo desarrollado
45
Para alcanzarla se necesita un tiempo denominado de ignición, que es posible
determinar según el gradiente de temperaturas y las condiciones de transferencia de
calor en el horno y de las que se ha pretendido iniciar su estudio anteriormente.
En el proyecto consideraremos que se ha alcanzado la temperatura de ignición a la hora
de realizar los cálculos correspondientes.
Generalmente esta temperatura se alcanza en el horno rotativo de un proceso por vía
seca de cementera mediante el empleo de fuel oil.
La superficie del combustible (tamaño de partícula) es un factor determinante para que
la temperatura de ignición sea efectiva mediante el calentamiento en el interior del
horno durante la curva de arranque.
El coque de petróleo y el aire de combustión deben calentarse hasta la temperatura de
ignición.
En carbón con un 20% de aire en exceso, el calentamiento del aire necesita un 90% y
sólo un 10% el carbón pulverizado del calor necesario para la ignición, si el tamaño de
partícula es el adecuado.
Por este motivo en las cementeras existe una molienda de carbón.
Esta molienda altera las características iniciales del combustible que deben tenerse en
cuenta en la realización del balance térmico de la instalación.
De la misma manera la biomasa se asume que se debe presentar con las mismas
características que el coque de petróleo.
Descripción del modelo desarrollado
46
C. REACCIÓN QUÍMICA Y DISPERSIÓN DE LOS PRODUCTOS DE
COMBUSTIÓN
Dada la importancia de las reacciones termoquímicas o de combustión y su relación con
los volúmenes de gases que afectan en otros apartados a considerar en el balance
térmico de la instalación se trata esta etapa del proceso de combustión separadamente en
el apéndice correspondiente donde se analiza la estequiometría de la combustión.
Descripción del modelo desarrollado
47
3.3.1.3. AIRE SECO TOTAL INTRODUCIDO PARA LA COMBUSTIÓN
La cantidad aire introducido en la instalación es otra variable de estudio que influye en
la entrada de calor y fundamentalmente en la salida de calor durante la producción de
clínker.
La densidad de este aire así como su calor específico y temperatura serán determinantes
para la evaluar parte de la entrada de calor en la instalación.
En el modelo adoptado para la situación de referencia se han tenido en cuenta los
siguientes caudales de aire:
- Caudal de aire seco primario introducido en el horno
- Caudal de aire seco secundario introducido en el horno
- Caudal de aire seco de transporte de combustible introducido en el horno
- Caudal de aire seco falso de entrada introducido en el horno
En la situación con biomasa el caudal de combustión se obtiene a partir de las
reacciones de combustión de los principales constituyentes de la misma, aplicando el un
factor de exceso de aire de tal forma que el caudal sea el mismo que en la situación de
referencia.
Por lo tanto a efectos prácticos en el balance térmico de la instalación la entrada de calor
relativa al caudal de aire seco en el presente proyecto permanecerá inalterada, si bien es
cierto que existe una cierta variación (valor en un principio inferior) que no altera
significativamente los cálculos del balance térmico.
De una manera general podemos hacer los siguientes comentarios respecto a las
reacciones termoquímicas o de combustión y volúmenes de gases y que trataremos con
más detalle en el apartado de emisiones.
Una vez que se ha alcanzado la temperatura de ignición, la mezcla de aire con el
combustible produce las reacciones exotérmicas fundamentales de combustión, tratadas
en el apéndice correspondiente.
Descripción del modelo desarrollado
48
De manera general, los constituyentes del combustible (C, H, S, N) reaccionan
exotérmicamente con el oxígeno liberando calor, de acuerdo al P.C.I. del combustible, y
productos de combustión (CO2, CO, SO2, NOx).
Dependiendo del empleo de un tipo u otro de combustible se genera un volumen de
gases de salida en el horno diferente para obtener la misma cantidad de calor.
Se puede demostrar que el fuel oil genera en torno al 6% más de gases de combustión
que el carbón y el gas natural un 18’5%.
Los mayores volúmenes de gases del fuel oil y gas natural explican el mayor consumo
calorífico.
Sin embargo la sustitución parcial de biomasa por coque de petróleo no supone una
modificación significativa del volumen de gases de combustión tal y como se ha
calculado en el apéndice correspondiente dedicado al caudal de gases de combustión, ya
que los constituyentes fundamentales (C, H, S, N) de la biomasa empleada en el
proyecto (Cyanara Cardunculus) que influyen en la utilización de una mayor o menor
cantidad de aire de combustión no afectan al volumen total de gases.
El incremento de gases de combustión produce:
- Temperaturas de llama inferiores.
- Mayor volumen de gases de salida y por lo tanto mayores pérdidas caloríficas con los
gases de salida.
- Mayores velocidades dentro del horno rotativo produciendo un menor intercambio de
calor del gas a la carga del horno.
- Menor capacidad específica del horno en su carga y por lo tanto mayores pérdidas de
calor por radiación térmica.
Existen diferentes razones para el empleo de combustibles sólidos como el coque de
petróleo en comparación con el fuel-oil y el gas natural en los hornos:
- Alta radiación térmica.
Descripción del modelo desarrollado
49
- Bajo coste
- Mayor sencillez del quemador que ha de ser flexible para distintas características de
combustible.
Por otro lado existen ciertos inconvenientes en el empleo de combustibles sólidos.
- Más difícil de manejar porque es sólido.
- P.C.I. más variable.
- Necesita ser molido (índice hardgrove de 40,5 en nuestro caso) y humectado.
Dado que se usa generalmente fuel oil para alcanzar la temperatura de ignición en el
horno, el empleo de otros combustibles no queda descartado completamente, siendo la
tendencia actual la del diseño de quemadores multicanal para diversos tipos de
combustibles.
[Fuente: Elaboración propia].
Descripción del modelo desarrollado
50
3.3.1.4. OTRAS ENTRADAS DE CALOR POSIBLES
Modelos de balance térmico más exhaustivos pueden incluir adicionalmente como
entradas de calor las siguientes:
- Alimentación de combustible (semejante a “Alimentación al horno”).
De manera similar que en la alimentación de harina de crudo al horno, el combustible es
alimentado a una temperatura y calor específico determinados que influyen en la entrada
de calor total a la instalación.
Se puede estimar en la instalación en estudio que su influencia puede ser del entorno de
0,1% de las entradas de calor.
- Combustión de la harina de crudo (semejante a “Combustible”).
Componentes de la harina de crudo pueden producir reacciones de combustión
semejantes al combustible principal y que por lo tanto influyen en la entrada total de
calor.
Se puede estimar en la instalación en estudio que su influencia puede ser del entorno de
1,1% de las entradas de calor.
- Aire de transporte de harina de crudo (semejante a “Aire seco total introducido para la
combustión”).
En ocasiones la harina de crudo es alimentada al precalentador mediante un aire de
transporte.
Este aire sería un término adicional a considerar en el cálculo del aire total introducido
para la combustión semejante al realizado.
Su influencia se puede considerar prácticamente despreciable (0%) como entrada de
calor en la instalación en estudio.
Descripción del modelo desarrollado
51
- Oxidación de sulfuros.
Los sulfuros producidos en las reacciones de combustión pueden volverse a oxidar en
unas condiciones determinadas de temperatura.
Es conocido que entre el 1 y el 1,5% del SO2 se oxida para formar SO3 entre 400 y
1.400º C.
1 Kg S + 1 Kg O2 2 Kg SO2 + liberación de calor
1 Kg SO2 + 0´25 Kg O2 1’25 Kg SO3 + liberación de calor
En el modelo considerado para el presente proyecto consideramos que no se produce
una posterior oxidación de sulfuros.
Se puede estimar en la instalación en estudio que su influencia puede ser del entorno de
0,4% de las entradas de calor.
En el apéndice correspondiente se ha evaluado la relación entre los álcalis y el azufre
que se fija en el clínker considerando el empleo de una instalación con bypass.
Descripción del modelo desarrollado
52
3.3.1.5. CLINQUERIZACIÓN
Los estudios específicos de reactividad térmica del quemado del clínker o
clinquerización comenzaron en 1906.
Existen complicados y tediosos métodos de cálculo relativos al requerimiento térmico
de la harina de crudo para transformarla en clínker.
El efecto exotérmico que ocurre durante el proceso de formación del clínker se puede
calcular con los minerales arcillosos que lo forman, los cuales se pueden determinar con
la fórmula de Bogue basada en el análisis del clínker.
Por lo tanto:
QKaolinit(e) = 5.583 ak
QMontmorillonit(e)= 3.402 aM
QIllit(e)= 4.202 aI
Q (Kcal/tonelada de arcilla) = 5.583 ak + 3.402 aM + 4.202 aI
Esta fórmula no incluye el calor necesario de evaporación del agua. Si se incluye:
Q (Kcal/tonelada de arcilla) = 3.631 ak + 1.776 aM + 2,11 aI + 5,86 hH
Siendo hH el agua específica (g agua/100g clínker) de cristalización de la sustancia
arcillosa en la mezcla del crudo.
El conocimiento explícito de los minerales del clínker resultaron no ser necesarios y se
eliminaron de los cálculos del efecto térmico. En relación con los componentes de los
minerales arcillosos es aceptado que el efecto exotérmico de la formación del clínker es
independiente al contenido de cal libre en el clínker (aportación de 0,1 Kcal/Kgck) y
que pequeños contenidos de alúmina y óxido de hierro tienen baja influencia.
Descripción del modelo desarrollado
53
Se puede concluir que el efecto exotérmico se determina fundamentalmente con el
contenido de silicio en el clínker.
H. Zur Strassen desarrolló un fórmula simplificada que permite obtener las necesidades
térmicas a partir de datos analíticos de la mezcla de crudo y clínker y que es
ampliamente aceptada en el sector, teniendo un error posible de +/-2 Kcal/Kgck.
Todos los componentes del crudo son aritméticamente convertidos en óxidos libres a los
que se les asocia la cantidad requerida de calor que necesitan para su formación en el
clínker.
Si no se conocen los componentes arcillosos se debe usar un valor medio para el
cálculo, usando una media aritmética de los 3 factores arcillosos:
Qteórico= 4,11Al2O3 + 6,48MgO + 7,646CaO - 5,116SiO2 - 0,59Fe2O3
Para el cálculo de la clinquerización en el presente proyecto emplearemos la fórmula
anterior.
Si se considera el total de la alúmina originada de la sustancia arcillosa la fórmula de H.
Zur Strassen es:
Q=2,22 Al2O3 + 5,86hH + 6,48MgO + 7,646CaO - 5,116SiO2 - 0,59Fe2O3
En la época se desarrollaron estudios con y sin el efecto de los álcalis (ver “Gas del
bypass y Polvo del bypass”).
Los efectos de los álcalis requieren un poco más de cálculo.
Como dato orientativo se puede decir que para un contenido moderado de álcalis las
necesidades térmicas disminuyen aproximadamente 2 Kcal/Kgck.
Descripción del modelo desarrollado
54
En la bibliografía consultada la temperatura de formación de clínker requerida se
determina mediante la siguiente expresión correlacionada con las fases minerales del
clínker que se desee producir:
T (º C) = 1.300 + 4,15C3S – 3,74C3A -12,64C4AF
Valor Unidad
Datos de partida
% en peso de C3S en clínker 60,300 %
% en peso de C3A en clínker 7,100 %
% en peso de C4AF en clínker 8,700 %
% en peso de Óxido de Aluminio en crudo 3,060 %
% en peso de Óxido de Magnesio en crudo 0,510 %
% en peso de Óxido de Calcio Total en crudo 43,800 %
% en peso de Óxido de Silicio en crudo 13,550 %
% en peso de Óxido de Hierro (III) en crudo 1,790 %
Cálculo de la temperatura de formación de clínker requerida 1435,431 ºC
A Cálculo del calor de formación de clínker requerida
(clinquerización) 280,398 Kcal/Kgck
[Fuente: Elaboración propia].
Descripción del modelo desarrollado
55
3.3.1.6. EVAPORACIÓN DE HUMEDAD
Como ya se ha comentado anteriormente la humedad tanto en el combustible como en la
harina de crudo es una salida de calor que debe ser considerada de acuerdo al calor
latente de vaporización en el balance térmico de la instalación.
En la situación con coque de petróleo y en la situación con biomasa se ha optado por
mantener la misma humedad.
Si consideramos que la harina de crudo que se emplea en ambas situaciones es la misma
resulta evidente la no modificación de su humedad.
En cuanto al coque de petróleo también resulta lógico mantener las mismas
características de humedad, sin embargo, la biomasa se puede presentar con un grado de
humedad diferente que en el caso de que sea mayor provocará unas pérdidas mayores de
calor.
A efectos prácticos en el balance térmico se ha considerado que la biomasa deberá de
ser introducida al horno con la misma humedad que el coque de petróleo siendo éste un
parámetro limitador del empleo de la misma.
Esta suposición resulta plausible considerando que generalmente en las plantas de
producción de clínker existen instalaciones de molienda y secado de combustible que
pueden ser adaptadas o utilizadas para el secado de la biomsa.
Descripción del modelo desarrollado
56
3.3.1.7. GAS DE SALIDA DE PRECALENTADOR:
De la misma manera que se ha considerado el mismo volumen de entrada de aire en la
situación con coque de petróleo que con la situación con biomasa, el volumen de gases
de salida se considerará igual.
La densidad de estos gases así como su calor específico y temperatura serán
determinantes para la evaluar parte de la salida de calor en la instalación.
En el modelo adoptado para la situación de referencia se han tenido en cuenta los
siguientes caudales de aire:
- Caudal de aire seco primario introducido en el horno.
- Caudal de aire seco del enfriador al horno (aire recuperado, parte del terciario).
- Caudal de aire seco de transporte de combustible introducido en el horno.
- Caudal de aire seco falso de entrada introducido en el horno.
- Caudal de aire seco falso de entrada introducido en el precalentador.
Nótese que el caudal total de salida es superior al de entrada debido fundamentalmente a
las entradas de aire falso que se han considerado, siendo éste uno de los problemas
frecuentes a evitar en las instalaciones debido a las pérdidas de calor que esto supone.
Los mismos comentarios realizados anteriormente son aplicables a la salida de gases del
precalentador.
Descripción del modelo desarrollado
57
3.3.1.8. POLVO DE SALIDA DE PRECALENTADOR
La salida de polvo del precalentador a una temperatura determinada y con el calor
específico correspondiente supone una pérdida de calor en la instalación.
La eficiencia de los ciclones de la torre del precalentador permanece invariable con el
empleo de la biomasa a pesar de que la cantidad de polvo introducido debido a la
biomasa sea superior.
En el balance térmico de la instalación se ha considerado la misma carga de polvo en la
situación con biomasa y en la situación con coque de petróleo, siendo el calor de salida
el mismo en ambas situaciones.
Descripción del modelo desarrollado
58
3.3.1.9. GAS DEL BYPASS Y POLVO DEL BYPASS
Existen en la zona de la cámara de humos y la parte inferior del precalentador una
circulación de componentes volátiles que se resuelve tecnológicamente mediante el
empleo de un by-pass de la corriente gaseosa del horno.
Las transmisiones de calor (entrada-salida) quedan fuera del balance térmico de la
instalación puesto que su influencia negativa no justifica el empleo de dicho bypass tal
y como se muestra en el apéndice correspondiente.
En instalaciones donde el empleo de by pass sea necesario las entradas y salidas de
calor relacionadas con la circulación de volátiles deben de considerarse.
Descripción del modelo desarrollado
59
3.3.1.10. GAS (AIRE) DE SALIDA DE ENFRIADOR
Parte del caudal de aire atmosférico introducido por los ventiladores del enfriador de
clínker es empleado como aire secundario en la combustión. La otra parte restante de de
este caudal introducido para enfriar el clínker es vehiculado al intercambiador aire-gas
antes de pasar por el filtro de mangas en las instalaciones modernas como la del
presente proyecto.
Este volumen de aire a una temperatura determinada sale de la instalación por lo que
debe de considerarse con el calor específico y densidad correspondiente.
El volumen de aire introducido en el enfriador permanece invariable por el empleo de
biomasa por lo que el calor de salida en ambas situaciones será el mismo.
Descripción del modelo desarrollado
60
3.3.1.11. CLÍNKER DE SALIDA DEL ENFRIADOR
El clínker enfriado para su almacenamiento mantiene una temperatura que debe de ser
considerada como salida de calor.
En el balance térmico se ha considerado una temperatura y calor específico para los
cálculos de esta salida de calor.
Descripción del modelo desarrollado
61
3.3.1.12. RADIACIÓN Y CONVECCIÓN
En los apéndices correspondientes se ha tratado ampliamente los fenómenos asociados a
la radiación y convección del proceso.
Estos procesos de transferencia de calor predominantes en la cocción del clínker se
manifiestan en el balance térmico de la instalación se como pérdidas de calor.
Los tres equipos básicos enfriador, horno y precalentador tienen unas pérdidas de calor
determinadas que se han considerado constantes para la situación con biomasa y la
situación con coque de petróleo.
Descripción del modelo desarrollado
62
3.3.2. EMISIONES ATMOSFÉRICAS
3.3.2.1. VISIÓN GLOBAL
Uno de los aspectos ambientales más importantes de la fabricación de cemento es el
consumo energético, evaluado previamente en el balance térmico.
De acuerdo al documento IPPC (Integrated Pollution Prevention and Control) editado
por la Comisión Europea, la mayor parte del consumo energético para la fabricación de
una tonelada de cemento se concentra en el consumo del combustible para la
descarbonatación y la clinquerización de las materias primas en el horno junto con el
consumo eléctrico de los molinos (crudo y cemento) y los ventiladores de tiro (horno y
enfriador de clínker) que representan un 80% del consumo eléctrico. La media de
consumo energético en forma de combustible y electricidad supone un 50% del total de
los costes de producción, siendo un 20% el consumo eléctrico que equivale a
aproximadamente 110 KWh / t de cemento.
En lo que respecta al consumo de combustible para un horno de vía seca equipado con
un precalentador de ciclones con precalcinador, el 30% de consumo de combustible,
equivale a aproximadamente 3.000 MJ / t de clínker.
Además de la vía de fabricación empleada, el consumo energético en la fabricación de
clínker está relacionado con la humedad de las materias primas y con la dificultad en
completar las reacciones químicas para la formación del clínker.
Esta dificultad depende de la cristalografía /mineralogía de los compuestos que lo
conforman y de la presencia de minerales fundentes (hierro, aluminio).
Otro aspecto ambiental es la emisión a la atmósfera de las siguientes sustancias.
El foco más importante de emisión a la atmósfera por chimenea es el horno de clínker.
Estas emisiones provienen de las reacciones físicas y químicas de las materias primas
procesadas y de los combustibles empleados para la cocción.
Descripción del modelo desarrollado
63
Las emisiones relevantes asociadas son:
- Partículas (polvo), proveniente de las operaciones de almacenamiento, transporte y
manipulación de los materiales pulverulentos presentes en la fábrica (fuentes dispersas o
difusas), y de los filtros de desempolvado (fuentes localizadas o puntuales).
- Gases de combustión: óxidos de nitrógeno (NOX) y óxidos de azufre (SO2).
La legislación medioambiental y la operación de las fábricas suele centrarse en estos
tres contaminantes a pesar de que existen otras emisiones como CO, CO2, HCl, HF,
COV, PCDD/Fs (dioxinas y furanos) y metales que comentamos a continuación.
Los principales constituyentes de los gases de salida de un horno de cemento son
nitrógeno del aire de combustión; CO2 de la descarbonatación del CaCO3 y de la
oxidación del combustible; vapor de agua del proceso de combustión y de las materias
primas; y exceso de oxígeno.
Descripción del modelo desarrollado
64
Composición de los gases emitidos por el horno
[Fuente: Oficemen].
Además de las tres emisiones relevantes mencionadas anteriormente (SO2, NOx y
polvo), otras emisiones asociadas a la operación del horno son:
- monóxido de carbono (CO)
- compuestos orgánicos volátiles (COVs, Total Organic Compounds, TOCs)
El contenido de estos dos compuestos en los gases emitidos se ve afectado por el
combustible empleado (hidrocarburos, bencenos, etc.) y en menor medida por el
contenido en materia orgánica de las materias primas (compuestos semiorgánicos), que
se ven parcialmente oxidadas en contacto con los gases del horno, lo que afecta al nivel
de monóxido de carbono y de compuestos orgánicos volátiles en los gases.
Por tanto las emisiones del horno de clínker están ligadas a las propiedades de las
materias primas (humedad, contenido en compuestos sulfurosos volátiles, dificultad de
cocción, resistividad, etc.) y a la tipología de sistema de horno empleada (vías húmeda,
semihúmeda, semiseca y seca).
Cuando los hornos de clínker utilizan residuos orgánicos como combustibles
alternativos (neumáticos, disolventes, aceites, etc.) se realiza un control exhaustivo de la
emisión que incluye, además de los contaminantes mencionados en los párrafos
anteriores, los siguientes:
- metales y sus compuestos
- HF
- HCl
- Dioxinas y furanos (PCDDs y PCDFs)
Descripción del modelo desarrollado
65
En todos los hornos el material se mueve a contracorriente de los gases calientes de la
combustión. Este flujo en contracorriente influye en la emisión de contaminantes,
disminuyéndola, puesto que actúa como un lecho fluido circulante: muchos compuestos
resultantes de la combustión o de la transformación de las materias primas en clínker
permanecen en la corriente de gases hasta que son absorbidos, condensados o retenidos
por el flujo en contracorriente de materias primas.
La capacidad de absorción del material varía con su estado físico y químico. Este, a su
vez, depende de la zona del horno en la que se encuentre. Por ejemplo, el material que
sale de la etapa de calcinación (descarbonatación) de un horno tiene un alto contenido
de óxido de calcio y tiene, por consiguiente, una alta capacidad de absorción
(neutralización) de ácidos, tales como HCl, HF y SO2.
Rango de Emisiones de los Hornos de Cemento Europeos
[Fuente: Guía de Mejores Técnicas Disponibles en España de fabricación de cemento]
Descripción del modelo desarrollado
66
Los volúmenes habituales de gases emitidos por el horno de clínker gris varían
normalmente entre 1.700 y 2.500 m3 por t de clínker (gas seco, 101,3 kPa, 273 K). Los
sistemas de horno con precalentador y precalcinador normalmente tienen volúmenes de
gas de alrededor de 2.000 m3/t de clínker (gas seco, 101,3 kPa, 273 K).
La mayor parte de las fábricas de cemento españolas y europeas han adoptado las
siguientes técnicas primarias generales para reducir su impacto ambiental:
- Optimización del control del proceso,
- Sistemas gravimétricos de alimentación de combustibles sólidos, en los enfriadores y
- Sistemas de gestión de energía.
Estas medidas redundan en mejoras de calidad, reducción de costes y reducción de los
consumos energéticos y de las emisiones a la atmósfera.
Las técnicas para la reducción de las emisiones de NOX son una combinación de las
técnicas primarias mencionadas y:
- Quemadores de bajo NOX,
- Combustión por etapas (o escalonada), y
- Reducción selectiva no catalítica (SNCR).
El nivel de emisión asociado a estas técnicas se sitúa entre 500 y 1.200 mg NOX/Nm3
(como NO2), 500-800 mg NOX/Nm3 para instalaciones nuevas, 800 - 1.200 mg
NOX/Nm3 para instalaciones existentes en vía seca.
Las técnicas para reducir las emisiones de SO2 son una combinación de las técnicas
primarias mencionadas y la adición de absorbente. El nivel de emisión asociado a estas
técnicas sería de 200-400 mg SO2/Nm3 para hornos vía seca.
Las técnicas para la reducción de las emisiones de partículas provenientes de fuentes
dispersas son:
Descripción del modelo desarrollado
67
- Protección de los sistemas de transporte (pavimentación y acondicionamiento de
viales, cerramiento de cintas, etc.
- Cerramiento total o parcial de los almacenamientos (silos de clínker, naves cerradas,
pantallas de protección contra el viento, etc.)
- Desempolvado de los puntos de carga y descarga, y de transferencia en sistemas de
transporte.
Las técnicas para la reducción de las emisiones por fuentes localizadas son, además de
las técnicas primarias:
- Filtros electrostáticos.
- Filtros de mangas.
El nivel de emisión asociado a estas técnicas se sitúa en 10 - 50 mg/Nm3, 30 - 50
mg/Nm3 para hornos y enfriadores, 10 - 30 mg/Nm3 para otras instalaciones de
desempolvado.
Nótese que los niveles de emisión expresados son valores medios diarios basados en
condiciones estándar de 273 K, 101.3 kPa, al 10% de oxígeno y gas seco.
Descripción del modelo desarrollado
68
3.3.2.2. ÓXIDOS DE NITRÓGENO
El monóxido de nitrógeno (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2) son los óxidos de
nitrógeno predominantes en los gases emitidos por el horno de cemento (NO>90% de
los óxidos de nitrógeno).
Hay dos fuentes principales para la producción de NOX:
- NOX térmico: parte del nitrógeno en el aire de combustión reacciona con oxígeno para
formar óxidos de nitrógeno.
- NOX de combustible: los compuestos de nitrógeno presentes en el combustible
reaccionan con el oxígeno para formar óxidos de nitrógeno.
La formación de NOX térmico se potencia en gran medida cuando la temperatura de
combustión es superior a los 1.200º C, reaccionado las moléculas de nitrógeno y
oxígeno en el aire de combustión.
El NOX térmico se produce principalmente en la zona de clinquerización del horno, en
la que se alcanzan temperaturas cercanas a los 2000º C. La cantidad de NOX térmico
generado en esta zona está relacionado tanto con la temperatura como con el contenido
de oxígeno (factor de exceso de aire).
En el presente proyecto se ha considerado un factor de exceso de aire de para la
situación con coque de petróleo y asumido que la cantidad de aire en la situación con
biomasa debe de ser la misma. Por lo tanto la formación de NOX térmico se considera
igual en ambas situaciones a igualdad de temperaturas.
Cuanto mayor sea el exceso de oxígeno, mayor será la formación de NOX térmico.
Cuando las materias primas son de difícil cocción la temperatura de la zona de
clinquerización debe ser mayor, lo que implica necesariamente la generación de más
NOX térmico. La facilidad de cocción del crudo depende de la cristalografía
/mineralogía de los compuestos que lo conforman y de la presencia de minerales
fundentes (hierro, aluminio). Este es el caso de la fabricación de clínker blanco, en el
Descripción del modelo desarrollado
69
que las materias primas son muy pobres en fundentes (para que no oscurezcan el
clínker) y requieren temperaturas más altas de clinquerización (en torno a 150º C).
En el presente proyecto se ha considerado un factor de exceso de aire de para la
situación con coque de petróleo y asumido que la cantidad de aire en la situación con
biomasa debe de ser la misma. Por lo tanto la formación de NOX térmico se considera
igual en ambas situaciones a igualdad de temperaturas.
El NOX de combustible se genera por oxidación del nitrógeno (N) presente en el
combustible, el cual se combina con otros átomos de nitrógeno para formar N2 gas o
reacciona con el O2 para formar NOX combustible.
En un precalcinador la temperatura suele estar en el rango de 900 - 1.150º C, baja para
la formación de NOX térmico, por lo que la mayor parte del NOX formado en esta zona
del horno será NOX combustible. Lo mismo ocurre cuando parte del combustible se
alimenta en la zona de entrada al horno, donde se genera una zona de combustión
secundaria a una temperatura similar a la correspondiente a un precalcinador.
En el presente proyecto se evaluará exclusivamente la variación del NOx combustible
basado en la reacción estequiométrica indicada en el apéndice correspondiente en la
situación con coque de petróleo y en la situación con biomasa ya que se considera que
no existe variación con el NOx térmico por la introducción de biomasa.
En los hornos dotados de precalcinadores, donde hasta el 60% del combustible puede
quemarse en el precalcinador, la formación de NOX térmico es más baja que en los
hornos en los que todo el combustible se quema en la zona de sinterización.
Además de la temperatura y el contenido de oxígeno (factor del exceso de aire), la
formación de NOX puede estar influenciada por la forma de la llama y su temperatura,
la geometría de la cámara de combustión, la reactividad y el contenido de nitrógeno del
combustible, la presencia de humedad, el tiempo de reacción y el diseño del quemador.
Las emisiones de NOX dependen fundamentalmente del tipo de horno que se emplee y
de las características de cocción de las materias primas.
Descripción del modelo desarrollado
70
El rango de las emisiones de óxidos de nitrógeno en los hornos europeos es de entre 200
y 3.000 mg NOX/m3 (como NO2, gas seco, 273 k, 101,3 kPa, 10% O2). Como término
medio, los hornos europeos de cemento emiten unos 1.300 mg NOX/m3 (como NO2,
gas seco, 273 k, 101,3 kPa, 10% O2) (Informe Ökopol, 1998).
El rango de las emisiones de óxidos de nitrógeno en los hornos españoles está entre 400
y 2.800 mg NOX/m3 (como NO2, gas seco, 273 k, 101,3 kPa, 10% O2), estando
normalmente en la parte superior del rango las emisiones de los hornos de clínker
blanco por las especificidades comentadas.
Descripción del modelo desarrollado
71
3.3.2.3. DIÓXIDO DE AZUFRE
Las emisiones de SO2 de las fábricas de cemento están directamente relacionadas con el
contenido en compuestos volátiles de azufre en las materias primas. Los hornos que
emplean materias primas con contenidos bajos de compuestos volátiles de azufre tienen
emisiones muy bajas de SO2, en algunos casos por debajo de los límites de detección.
Cuando se emplean materias primas que contienen compuestos orgánicos de azufre o
piritas (FeS), las emisiones de SO2 pueden ser altas. El dióxido de azufre (SO2) es el
principal compuesto de azufre emitido (99%), aunque también se generan pequeñas
cantidades de SO3 y, en condiciones reductoras, puede generarse sulfuro de hidrógeno
(H2S).
Los sulfuros y el azufre orgánico presentes en las materias primas se evaporarán en
cuanto la temperatura del crudo comience a elevarse, y el 30% o más pueden emitirse
desde la primera etapa del intercambiador de ciclones. Los gases de esta etapa se emiten
a la atmósfera o se llevan al molino de crudo cuando éste está en funcionamiento. En el
molino de crudo, entre el 20 y el 70% del SO2 será capturado por las materias primas
finamente molidas. Por ello es importante que, cuando hay compuestos volátiles de
azufre en las materias primas, la molienda de crudo se optimice para que actúe como
sistema de captación de SO2.
El azufre presente en los combustibles que alimentan los hornos con precalentador no
genera emisiones significativas de SO2, debido a la naturaleza fuertemente alcalina en
la zona de sinterización, en la zona de calcinación y en la etapa más baja del
precalentador. Este azufre quedará atrapado en el clínker. El exceso de oxígeno (del 1 al
3% de O2 mantenido en el horno para conseguir una buena calidad del cemento)
oxidará los compuestos sulfurosos liberados, convirtiéndolos en SO2.
En el caso de la fabricación de cementos especiales, como el cemento blanco, se dan los
siguientes condicionantes:
- Mayor dificultad para la cocción por la cristalografía y mineralogía del crudo.
- Ausencia de fundentes en las materias primas para preservar el color.
- Ausencia de álcalis debido a la pureza de las materias primas.
Descripción del modelo desarrollado
72
- Condiciones de funcionamiento del horno (en ocasiones reductoras).
La conjunción de estas condiciones puede producir emisiones más elevadas de SO2 al
no darse el mismo porcentaje de fijación de los óxidos de azufre en el mismo grado que
en la fabricación de clínker gris.
Las emisiones en los hornos europeos, al igual que en los hornos españoles, están en el
rango desde valores inferiores a los límites de detección hasta valores de 3.500 mg/Nm3
(como SO2, gas seco, 273 k, 101,3 kPa, 10% O2).
Descripción del modelo desarrollado
73
3.3.2.4. PARTÍCULAS
Históricamente la emisión de partículas (polvo), en particular por las chimeneas de los
hornos, ha sido la principal preocupación medioambiental en relación con la fabricación
de cemento.
Las principales fuentes de partículas por chimenea (fuentes localizadas, o puntuales) son
los hornos, los molinos de crudo, los enfriadores de clínker y los molinos de cemento.
En todos estos procesos circulan grandes volúmenes de gases cargados de partículas,
que deben ser desempolvados. El diseño y la fiabilidad de los precipitadotes
electrostáticos modernos y de los filtros de mangas aseguran que las partículas emitidas
se puedan reducir a niveles no significativos; incluso se han podido lograr en algunas
instalaciones niveles de emisión por debajo de 10 mg/Nm3.
El rango de emisiones de los hornos de cemento europeos está entre 5 y 200 mg/m3.
El rango de emisiones de los hornos de cemento españoles está entre 15 y 150 mg/m3.
Las operaciones de transporte, manipulación (carga y descarga, envasado) y
almacenamiento de materias primas y combustibles sólidos son una fuente potencial de
emisión de partículas (emisiones dispersas o difusas).
Las emisiones dispersas de partículas pueden provocar un incremento de la
concentración de partículas en los alrededores de la fábrica, mientras que las emisiones
procedentes de fuentes localizadas pueden tener efecto sobre áreas más amplias.
En el presente proyecto no se considerado relevante la incidencia del empleo de
biomasa en la emisión de partículas además de no ser necesaria una ampliación de la
superficie filtrante de los equipos de depuración debido a que no existe un aumento
significativo en el caudal de gases para la filtración.
La concentración de partículas se incrementará ya que se introduce biomasa y coque de
petróleo en una cantidad mayor que en la situación con coque de petróleo únicamente.
La cantidad de harina de crudo en ambos casos es la misma.
Descripción del modelo desarrollado
74
Los rendimientos de captación de ciclones y filtro de horno permanecerán constantes,
antes y después de la introducción de biomasa.
Si consideramos que el filtro de horno tiene un rendimiento de captación del 99,9 %,
aunque realmente es superior, la emisión teórica de partículas en chimenea
considerando la cantidad de polvo que escapa de la etapa superior del precalentador de
ciclones sería de:
hKg
hKg 82,10820.10
1009,99100
=×−
Pero los filtros de mangas en esta aplicación tienen escapes de polvo garantizados
inferiores a 20mg/Nm3, por lo que considerando el caudal que trata nuestra instalación
tenemos:
hKg
Nmmg
hNm 44,1
1000001,020407,370.72 3
3
=××
Esto es mucho menos de lo que cabe esperar del cálculo teórico, por lo que el
incremento de polvo que supone la introducción de biomasa (10,84 t/h considerando un
rendimiento de ciclones del 90,51% como en la situación de referencia) no es
significativo para la emisión de polvo al atmósfera.
Descripción del modelo desarrollado
75
3.3.2.5. ÓXIDOS DE CARBONO (CO2 , CO)
La emisión de dióxido de carbono (CO2) es de 900 a 1.000 kg/t de clínker gris, en
relación a un consumo específico de aproximadamente 3.500 a 5.000 MJ/tonelada de
clínker, pero dependiendo así mismo del tipo de combustible. El ratio es menor si se
refiere a las toneladas de cemento, puesto que en la molienda de cemento se adicionan
otros minerales y yeso. En el caso del clínker blanco el ratio es superior debido a su
mayor consumo energético.
En la fabricación de cemento gris por vía seca aproximadamente un 60% del CO2
generado se origina en el proceso de disociación del carbonato cálcico de la caliza en
óxido de calcio y CO2 (denominado descarbonatación o calcinación de la caliza) y el
40% restante se produce en la combustión del combustible. Las emisiones resultantes de
la combustión son directamente proporcionales al consumo específico, y a la relación
entre el contenido de carbono (C) y el poder calorífico del combustible.
Las emisiones del CO2 de la combustión se han reducido progresivamente, alrededor
del 30% en los últimos 25 años principalmente por la instalación de hornos más
eficientes.
La emisión de CO está relacionada con el contenido de materias orgánicas en las
materias primas y con las condiciones del proceso de fabricación, pero también puede
producirse por una combustión incompleta cuando el control de la alimentación de los
combustibles sólidos no es óptimo. Dependiendo de las características de las canteras,
se aportan al proceso entre 1,5 y 6 g de carbono orgánico por kg de clínker proveniente
de las materias primas. Los ensayos realizados con materias primas de varios orígenes
han demostrado que entre el 85 y el 95 % de los compuestos orgánicos presentes en las
materias primas se oxidan completamente a CO2 en presencia de un 3% de oxígeno en
exceso; mientras entre el 5 y el 15 % se oxidan parcialmente a CO (Cembureau).
La concentración de CO puede superar en algunos casos, con algunas materias primas,
los 2.000 mg/Nm3 (Informe Cembureau, 1997). Para asegurar que la velocidad de
alimentación del combustible sólido es uniforme debe disponerse de un buen diseño de
las tolvas, cintas transportadoras y alimentadores. De no ser así, se podría producir una
Descripción del modelo desarrollado
76
combustión subestequiométrica que puede llevar a puntas de corta duración mayores del
0,5% de CO. Estos picos de CO provocan la desconexión automática de los filtros
electrostáticos para evitar el riesgo de explosión, lo que provoca un incremento en la
emisión de partículas.
A efectos prácticos en el presente proyecto se ha realizado el cálculo estequiométrico de
la reacción de combustión que produce parte de las emisiones de CO2 considerando
combustión completa (CO2).
El total de la emisión atmosférica será superior al calculado de acuerdo a lo indicado
anteriormente pero no resulta de utilidad para los objetivos del presente proyecto ya que
la descarbonatación de la caliza es la misma en la situación con coque de petróleo que
en la situación con biomasa.
Descripción del modelo desarrollado
77
3.3.2.6. OTRAS EMISIONES
COMPUESTOS ORGÁNICOS VOLÁTILES
En general, la emisión de compuestos orgánicos volátiles (COV) y de monóxido de
carbono en los procesos de combustión va a menudo asociada a combustiones
incompletas. En los hornos de cemento, la emisión es baja en condiciones normales de
operación, debido al largo tiempo de residencia de los gases en el horno, la elevada
temperatura y las condiciones de exceso de oxígeno. Las concentraciones pueden
aumentar durante las operaciones de arranque o en casos de perturbaciones de la marcha
normal del horno. La frecuencia con la que ocurren situaciones de operación anómala
del horno es muy variable, desde una o dos veces a la semana hasta una vez cada dos o
tres meses.
Cuando la materia prima utilizada tiene materia orgánica, esta última se volatiliza en las
primeras etapas del proceso (precalentador, precalcinador), a medida que el crudo se
calienta, dando lugar a emisiones de COV. La materia orgánica se libera a temperaturas
entre 400 y 600º C. El contenido en COV de los gases del horno de cemento está
normalmente entre 10 y 100 mg/Nm3. En algunos casos se alcanzan emisiones de COV
de hasta 500 mg/Nm3 debido a las características de las materias primas. [Informe
Cembureau, 1997].
DIBENZODIOXINAS POLICLORADAS (PCDDS) Y DIBENZOFURANOS
(PCDFS)
En los procesos de combustión, la presencia de cloro y de compuestos orgánicos puede
dar lugar a la formación de dioxinas y furanos (PCDDs y PCDFs) si se dan a su vez las
condiciones de tiempo de residencia y temperatura.
La formación de dioxinas y furanos ocurre por síntesis (conocida como síntesis de
novo) en el rango de temperaturas entre 200 y 450º C por reacción de hidrocarburos
(precursores) con el cloro. Por lo tanto, es importante que los gases del sistema del
horno sean enfriados rápidamente a través de este rango. En la práctica esto es lo que
Descripción del modelo desarrollado
78
ocurre en los sistemas con precalentador puesto que las materias primas entrantes se
calientan con los gases del horno. Por otra parte la presencia de cloro en los gases de
combustión del horno está limitada por condiciones de proceso y de calidad del
cemento.
Los estudios realizados en Europa, entre los cuales destaca el Inventario Europeo de
Dioxinas realizado por la Comisión Europea (año 2000), han demostrado que la
producción de cemento no es una fuente significativa de emisiones de dioxinas y
furanos. Ello es debido al largo tiempo de permanencia de los gases de combustión en el
horno a elevadas temperaturas, y al resto de condiciones descritas en el párrafo anterior,
independientemente de que se utilicen combustibles convencionales (carbón, coque de
petróleo, fuelóleo) o alternativos (neumáticos usados, aceites, disolventes, biomasa,
etc.)
Las mediciones realizadas indican que los hornos de cemento emiten menos de 0,1 ng
TEQ/Nm3, que es el valor límite en la legislación europea para plantas de incineración
y co-incineración de residuos (directiva del Consejo 94/67/CE y directiva del Consejo y
del Parlamento 2000/76/CE).
Las mediciones realizadas en 16 hornos de clínker en Alemania (hornos de
precalentador de ciclones y de parrillas) durante los últimos 10 años indican que la
media de concentración asciende a cerca de 0,02 ng TEQ/Nm3. [Schneider, 1996].
En España, las empresas cementeras participan desde el año 2000 en la elaboración del
Inventario Nacional de Dioxinas y Furanos, del Ministerio de Medio Ambiente. A
finales de 2001 se disponía de 40 mediciones en 29 hornos de clínker, con todos los
valores por debajo del valor de referencia 0,1 ng TEQ/Nm3.
METALES Y SUS COMPUESTOS
Los dos flujos entrantes en el horno de cemento, materias primas y combustibles,
contienen metales en concentraciones variables en función de su origen.
Descripción del modelo desarrollado
79
En particular, el uso de residuos como combustibles puede variar la entrada de metales
en el proceso por lo que en consecuencia es conveniente conocer los niveles de metales
pesados de los flujos de materias primas y combustibles.
El principal foco emisor de metales es el sistema de horno, incluyendo los gases de
combustión y el aire de los enfriadores de clínker. Las partículas emitidas en estos flujos
contienen muy pequeñas cantidades de compuestos metálicos tales como zinc (Zn),
cadmio (Cd), mercurio (Hg), plomo (Pb), talio (Tl) y arsénico (As). La concentración de
las emisiones de metales varía ampliamente en función de las materias primas, los
combustibles y de los ciclos en el sistema de horno.
Los compuestos metálicos pueden clasificarse en tres categorías, dependiendo de la
volatilidad de los metales y de sus sales:
1. Metales que son o tienen compuestos no volátiles: Ba, Be, Cr, As, Ni, V, Al, Ti, Mn,
Cu, y Ag
2. Metales que son o tienen compuestos semivolátiles: Sb, Cd, Pb, Se, Zn, K y Na
3. Metales que son o tienen compuestos volátiles: Hg y Tl
El comportamiento de estos metales en el sistema del horno depende de su volatilidad:
- Los compuestos de metales no volátiles permanecen dentro del proceso y salen del
horno como parte de la composición del clínker.
- Los compuestos de metales semivolátiles se vaporizan parcialmente en la zona de
sinterización y se condensan sobre las materias primas en zonas menos calientes del
sistema del horno (precalentador). Esto lleva a un efecto cíclico dentro del sistema de
horno (ciclos internos) hasta que se establece un equilibrio entre los metales entrantes al
horno y los que salen con el clínker de cemento.
- Los compuestos de metales volátiles condensan sobre las materias primas a bajas
temperaturas y pueden formar ciclos internos o externos. El talio y mercurio y sus
compuestos se volatilizan con facilidad y en menor extensión el cadmio, plomo, selenio
y sus compuestos. Se forman ciclos internos de compuestos metálicos que reaccionan
con el crudo o condensan en las zonas menos calientes del sistema (precalcinador,
Descripción del modelo desarrollado
80
precalentador o en la molienda de crudo) y vuelven en forma sólida hacia la zona de
sinterización, donde se volatilizan de nuevo. Se forman ciclos externos cuando el polvo
junto con los compuestos metálicos condensados se separan en los equipos de
desempolvado y son recirculados al proceso con el crudo [Karlsruhe II, 1996].
Las investigaciones sobre el equilibrio de los ciclos demuestran que los metales de baja
y media volatilidad tienen un muy alto grado de retención en el clínker, mientras que los
de alta volatilidad (Hg, Tl) tienen menor retención en el clínker.
Descripción del modelo desarrollado
81
3.4. MODELO EN LA SITUACIÓN DE REFERENCIA Y EN LA SITUACIÓN CON
BIOMASA
3.4.1. BALANCE TÉRMICO EN LA SITUACIÓN DE REFERENCIA
Valor Unidad Valor Unidad Entradas de calor 857 Kcal/Kgck 100,000 % *Alimentación al horno 14,903 Kcal/Kgck 1,740 % Consumo de harina de crudo seca 107,400 t/h 1,694 Kg/Kgck Calor específico de harina de crudo seca alimentada al horno 0,220 Kcal/KgºC Temperatura de harina de crudo seca alimentada al horno 40,000 ºC *Combustible 838,573 Kcal/Kgck 97,897 % Consumo de combustible molido y seco 6,680 t/h 0,105 Kg/Kgck P.C.I. de combustible (Kg en base seca) 7961,000 Kcal/Kg *Aire seco total introducido para la combustión 3,111 Kcal/Kgck 0,363 % Caudal de aire seco realmente introducido en el horno 58521,000 Nm3/h 0,923 Nm3/kgck Caudal de aire seco primario introducido en el horno 2460,152 Nm3/h 0,039 Nm3/kgck Caudal de aire seco secundario introducido en el horno 54044,313 Nm3/h 0,852 Nm3/kgck Caudal de aire seco de transporte de combustible introducido en el horno 1974,050 Nm3/h 0,031 Nm3/kgck Caudal de aire seco falso de entrada introducido en el horno 42,485 Nm3/h 0,001 Nm3/kgckDensidad del aire atmosférico seco en condiciones normales (0ºC-760mmHg) 1,293 Kg/Nm3 Calor específico del aire atmosférico seco a 20ºC y 760mmHg 0,237 Kcal/KgºC Temperatura del aire ambiente 11,000 ºC
Descripción del modelo desarrollado
82
Valor Unidad Valor Unidad Salidas de calor 857 Kcal/Kgck 100,000 % *Clinquerización 280,398 Kcal/Kgck 32,734 % *Evaporación de humedad 118,638 Kcal/Kgck 13,850 % Harina de crudo 84,742 Kcal/Kgck Consumo de harina de crudo húmeda 107,500 t/h 1,695 Kg/Kgck Humedad de harina de crudo 0,093 % en peso Combustible 33,897 Kcal/Kgck Consumo de combustible molido y húmedo 6,720 t/h 0,106 Kg/Kgck Humedad del combustible 0,595 % en peso Calor latente de vaporización 537,403 Kcal/Kg *Gas de salida de precalentador 256,691 Kcal/Kgck 29,966 % Caudal de gas seco de salida del precalentador 72370,407 Nm3/h 1,141 Nm3/kgck Caudal de aire seco primario introducido en el horno 2397,870 Nm3/h Caudal de aire seco del enfriador al horno (aire recuperado, parte del terciario) 46435,860 0,353 Caudal de aire seco de transporte de combustible introducido en el horno 1924,074 Caudal de aire seco falso de entrada introducido en el horno 41,403 Caudal de aire seco falso de entrada introducido en el precalentador 21571,200 Densidad del gas de salida del precalentador (no usado) 1,462 Kg/Nm3 Calor específico del gas de salida del precalentador 0,355 kcal/Nm3K Temperatura del gas de salida del precalentador 361,000 ºC 634,150 K *Polvo de salida de precalentador 14,450 Kcal/Kgck 1,687 Cantidad del polvo en base seca de salida del precalentador 10,820 t/h 0,171 Kg/Kgck Calor específico del gas con polvo en base seca de salida del precalentador 0,235 Kcal/KgºC Temperatura del gas con polvo en base seca de salida del precalentador 361,000 ºC *Gas del bypass 0,000 Kcal/Kgck 0,000 % Caudal Nm3/kgck Densidad Kg/Nm3 Calor específico Kcal/KgºC Temperatura ºC *Polvo del bypass 0,000 Kcal/Kgck 0,000 % Cantidad de polvo en base seca Kg/Kgck Calor específico Kcal/KgºC Temperatura ºC *Gas (aire) de salida de enfriador 88,103 Kcal/Kgck 10,285 % Caudal de aire seco del enfriador al filtro del enfriador 73804,574 Nm3/h 1,164 Nm3/kgckDensidad del aire atmosférico seco en condiciones normales (0ºC-760mmHg) 1,293 Kg/Nm3 Calor específico del aire atmosférico seco a 20ºC y 760mmHg 0,237 Kcal/KgºC Temperatura del aire de salida del enfriador 247,000 ºC *Clínquer de salida del enfriador 14,080 Kcal/Kgck 1,644 % 1 Kg/Kgck 1,000 Kg/Kgck Calor específico de clínquer a la salida del enfriador 0,220 Kcal/KgºC Temperatura 64,000 ºC *Radiación y convección 84,240 Kcal/Kgck 9,834 % Precalentador 16,640 Kcal/Kgck Horno 60,070 Kcal/Kgck Enfriador 7,530 Kcal/Kgck
Descripción del modelo desarrollado
83
3.4.2. BALANCE TÉRMICO EN LA SITUACIÓN CON BIOMASA
Manteniendo la misma entrada de calor de que la situación con coque de petróleo, es decir,
838,573 Kcal/Kgck se ha modificado la alimentación de coque de petróleo aumentado
progresivamente la alimentación de biomasa.
Hay que recordar que se ha establecido como variable limitadora la humedad de la biomasa, la
cual debe de ser igual que la que contiene el coque de petróleo.
En el análisis de sensibilidad se evalúan estos parámetros, indicando el porcentaje de sustitución
de calor de entrada (Kcal/Kgck) de biomasa respecto a la entrada de calor de coque de petróleo
exclusivamente.
De esta manera, por ejemplo, una cantidad conjunta de biomasa y coque de petróleo con la
misma humedad en el caso de que el calor de entrada de la biomasa sea de 500 Kcal/Kgck
representa el siguiente porcentaje de sustitución:
(500/838,573)*100 = 59,63% de calor de sustitución por biomasa
Por otro lado el balance térmico debe de ser coherente siendo las entradas iguales a las salidas.
En la iteración empleada en el análisis de sensibilidad esto no siempre ocurre así debido a que la
biomasa introduce una humedad que se ha de evaporar, produciendo un calor de salida en
ocasiones superior a la situación con coque de petróleo 118,638 Kcal/Kgck
Como sólo se modifican la entrada de calor debida al combustible (coque de petróleo y biomasa)
y la salida de calor por evaporación de la humedad el balance siempre resulta negativo por lo que
se ha aceptado que una variación en el balance cercana a la mínima contribución en la situación
con coque de petróleo es aceptable, es decir, el aire total seco introducido.
Esta diferencia supone un 0,46%, con unas pérdidas de calor por la evaporación de humedad de
3,9 Kcal/Kgck.
Descripción del modelo desarrollado
84
De lo anterior se desprende que un porcentaje de sustitución de coque de petróleo por biomasa
del 10% como veremos en el análisis de sensibilidad es el valor óptimo a considerar en el
presente proyecto.
Nótese que las precisiones consideraras en la iteración han sido:
Sustitución +/- 0,01
Entrada de calor de combustible +/-0,01
A continuación se muestra el balance térmico en la situación con biomasa con un 10% de
sustitución.
Valor Unidad Valor Unidad Entradas de calor 857 Kcal/Kgck 100,000 % *Alimentación al horno 14,903 Kcal/Kgck 1,740 % Consumo de harina de crudo seca 107,400 t/h 1,694 Kg/Kgck Calor específico de harina de crudo seca alimentada al horno 0,220 Kcal/KgºC Temperatura de harina de crudo seca alimentada al horno 40,000 ºC *Combustible 838,564 Kcal/Kgck 97,897 % Calor de entrada con biomasa 83,899 Kcal/Kgck Consumo de biomasa molida y seca 1,438 t/h 0,023 Kg/Kgck P.C.I. de biomasa (Kg en base seca) 3700,000 Kcal/Kg Calor de entrada con coque de petróleo 754,665 Kcal/Kgck Consumo de coque de petróleo molido y seco 6,012 t/h 0,095 P.C.I. de coque de petróleo (Kg en base seca) 7961,000 Kcal/Kg *Aire seco total introducido para la combustión 3,111 Kcal/Kgck 0,363 % Caudal de aire seco realmente introducido en el horno 58521,000 Nm3/h 0,923 Nm3/kgck Caudal de aire seco primario introducido en el horno 2460,152 Nm3/h 0,039 Nm3/kgck Caudal de aire seco secundario introducido en el horno 54044,313 Nm3/h 0,852 Nm3/kgck Caudal de aire seco de transporte de combustible introducido en el horno 1974,050 Nm3/h 0,031 Nm3/kgck Caudal de aire seco falso de entrada introducido en el horno 42,485 Nm3/h 0,001 Nm3/kgck Densidad del aire atmosférico seco en condiciones normales (0ºC-760mmHg) 1,293 Kg/Nm3 Calor específico del aire atmosférico seco a 20ºC y 760mmHg 0,237 Kcal/KgºC Temperatura del aire ambiente 11,000 ºC
Descripción del modelo desarrollado
85
Valor Unidad Valor Unidad Salidas de calor 861 Kcal/Kgck 100,000 % *Clinquerización 280,398 Kcal/Kgck 32,585 % *Evaporación de humedad 122,542 Kcal/Kgck 14,241 % Harina de crudo 84,742 Kcal/Kgck Consumo de harina de crudo húmeda 107,500 t/h 1,695 Kg/Kgck Humedad de harina de crudo 0,093 % en peso Combustible 37,801 Kcal/Kgck Consumo de combustible molido y húmedo 7,494 t/h 0,118 Kg/Kgck Humedad del combustible 0,595 % en peso Calor latente de vaporización 537,403 Kcal/Kg *Gas de salida de precalentador 256,691 Kcal/Kgck 29,830 % Caudal de gas seco de salida del precalentador 72370,407 Nm3/h 1,141 Nm3/kgck Caudal de aire seco primario introducido en el horno 2397,870 Nm3/h Caudal de aire seco del enfriador al horno (aire recuperado, parte del terciario) 46435,860 0,353 Caudal de aire seco de transporte de combustible introducido en el horno 1924,074 Caudal de aire seco falso de entrada introducido en el horno 41,403 Caudal de aire seco falso de entrada introducido en el precalentador 21571,200 Densidad del gas de salida del precalentador (no usado) 1,462 Kg/Nm3 Calor específico del gas de salida del precalentador 0,355 kcal/Nm3K Temperatura del gas de salida del precalentador 361,000 ºC 634,150 K *Polvo de salida de precalentador 14,450 Kcal/Kgck 1,679 Cantidad del polvo en base seca de salida del precalentador 10,820 t/h 0,171 Kg/Kgck Calor específico del gas con polvo en base seca de salida del precalentador 0,235 Kcal/KgºC Temperatura del gas con polvo en base seca de salida del precalentador 361,000 ºC *Gas del bypass 0,000 Kcal/Kgck 0,000 % Caudal Nm3/kgck Densidad Kg/Nm3 Calor específico Kcal/KgºC Temperatura ºC *Polvo del bypass 0,000 Kcal/Kgck 0,000 % Cantidad de polvo en base seca Kg/Kgck Calor específico Kcal/KgºC Temperatura ºC *Gas (aire) de salida de enfriador 88,103 Kcal/Kgck 10,239 % Caudal de aire seco del enfriador al filtro del enfriador 73804,574 Nm3/h 1,164 Nm3/kgck Densidad del aire atmosférico seco en condiciones normales (0ºC-760mmHg) 1,293 Kg/Nm3 Calor específico del aire atmosférico seco a 20ºC y 760mmHg 0,237 Kcal/KgºC Temperatura del aire de salida del enfriador 247,000 ºC *Clínquer de salida del enfriador 14,080 Kcal/Kgck 1,636 % 1 Kg/Kgck 1,000 Kg/Kgck Calor específico de clínquer a la salida del enfriador 0,220 Kcal/KgºC Temperatura 64,000 ºC *Radiación y convección 84,240 Kcal/Kgck 9,790 % Precalentador 16,640 Kcal/Kgck Horno 60,070 Kcal/Kgck Enfriador 7,530 Kcal/Kgck
Descripción del modelo desarrollado
86
3.4.3. EMISIONES EN LA SITUACIÓN DE REFERENCIA
Datos de partida Valor Unidad Valor Unidad Equivalencia moles y gramos de O2 1,000 mol 32,000 g Equivalencia moles y gramos de C 1,000 mol 12,000 g Equivalencia moles y gramos de CO 1,000 mol 28,000 g Equivalencia moles y gramos de CO2 1,000 mol 44,000 g Equivalencia moles y gramos de H2 1,000 mol 2,000 g Equivalencia moles y gramos de H2O 1,000 mol 18,000 g Equivalencia moles y gramos de S 1,000 mol 32,000 g Equivalencia moles y gramos de SO2 1,000 mol 64,000 g Equivalencia moles y gramos de SO3 1,000 mol 80,000 g Equivalencia moles y gramos de N 1,000 mol 14,000 g Equivalencia moles y gramos de NO 1,000 mol 30,000 g Equivalencia moles y gramos de NO2 1,000 mol 46,000 g Equivalencia litros y moles en gases 22,320 l 1,000 mol Cantidad de oxígeno O2 en el aire seco atmosférico 20,950 % v/v Carbono C en el combustible en base seca 75,493 % en peso Hidrógeno H2 en el combustible en base seca 3,023 % en peso Azufre S en el combustible en base seca 6,140 % en peso Nitrógeno N en el combustible en base seca 1,464 % en peso Consumo de combustible molido y seco 6,680 t/h 0,105 Kg/Kgck Temperatura del aire ambiente 11,000 ºC Presión atmosférica en la zona 1,013 bar Producción de clínquer 63,417 t/h 63416,667 Kg/h
Descripción del modelo desarrollado
87
*Nitrógeno Valor Unidad Valor Unidad 1 kg N + 1’143 kg O2 → 2’143 Kg NO Volumen de oxígeno O2 para la combustión de 1Kg N 0,797 m3O2/KgN Volumen de aire atmosférico seco para la combustión de 1Kg N 3,805 m3/KgN Cantidad de nitrógeno N en el combustible empleado 97,792 KgN/h Caudal de aire atmosférico seco para la combustión del N en el combustible empleado 372,142 m3aire/h 357,735 Nm3aire/h Cantidad de NO que se produce con la cantidad de combustible empleado 209,567 KgNO/h Emisión de NO a la atmósfera con el caudal de gases total 4017,441 mgNO/m3aire 4179,227 mgNO/Nm3aire Caudal de oxígeno O2 para la combustión del N en el combustible empleado 77,964 m3O2/h 74,946 Nm3O2/h
Se considera que todo el N del combustible reacciona para formar NO pero parte es empleado para formar N2gas A efectos prácticos nos es válida en términos de comparación de NOx combustible aunque faltaría incluir también el NOx térmico que se considera igual en la citación con biomasa. Emisión de NO producto de la reacción de 1Kg N al 10% de O2 seco considerando un 12% de O2 seco medido a la salida del precalentador 5107,945 mgNO/Nm3aire Emisión de NOx Considerando que el 97% es NO 5265,922 mgNOx/Nm3aire
Descripción del modelo desarrollado
88
*Carbono. Combustión completa Valor Unidad Valor Unidad 1 Kg C + 2’667 Kg O2 à 3’667 Kg CO2 Volumen de oxígeno O2 para la combustión completa de 1Kg C 1,860 m3O2/KgC Volumen de aire atmosférico seco para la combustión completa de 1Kg C 8,879 m3aire/KgC Cantidad de carbono C en el combustible empleado 5042,924 KgC/h Caudal de aire atmosférico seco para la combustión completa del C en el combustible empleado 44778,096 m3aire/h 43044,648 Nm3aire/h Cantidad de CO2 que se produce con la cantidad de combustible empleado 18492,402 KgCO2/h Emisión de CO2 a la atmósfera con el caudal de gases total 353754,178 mgCO2/m3aire 368000,182 mgCO2/Nm3aire
Caudal de oxígeno O2 para la combustión completa del C en el combustible empleado 9381,011 m3O2/h 9017,854 Nm3O2/h
El CO2 resultante del combustible representa aproximadamente el 40% del total siendo el 60% restante debido a la descarbonatación de la caliza que en la situación con biomasa se considera igual. Los ensayos realizados con materias primas de varios orígenes han demostrado que entre el 85 y el 95 % de los compuestos orgánicos presentes en las materias primas se oxidan completamente a CO2 en presencia de un 3% de oxígeno en exceso; mientras entre el 5 y el 15 % se oxidan parcialmente a CO (Cembureau). En lo que respecta al combustible se podría aplicar el mismo criterio pero se ha preferido mantener el 100% del C se oxida completamente.
Descripción del modelo desarrollado
89
Reacciones estequiométricas y resultados teóricos Valor Unidad Valor Unidad 1 Kg C + 2’667 Kg O2 3’667 Kg CO2 Caudal de aire atmosférico seco para la combustión completa del C en el combustible empleado 44778,096 m3aire/h 43044,648 Nm3aire/h Emisión de CO2 producto de la reacción de 1Kg CO 353754,178 mgCO2/m3aire 368000,182 mgCO2/Nm3aire Caudal de oxígeno O2 para la combustión completa del C en el combustible empleado 9381,011 m3O2/h 9017,854 Nm3O2/h 1Kg C + 1’33 Kg O2 2’33 Kg CO Caudal de aire atmosférico seco para la combustión incompleta del C en el combustible empleado 22330,284 m3aire/h 21465,835 Nm3aire/h Emisión de CO producto de la reacción de 1Kg C 225249,580 mgCO/m3aire 234320,586 mgCO/Nm3aire Caudal de oxígeno O2 para la combustión incompleta del C en el combustible empleado 4678,194 m3O2/h 4497,092 Nm3O2/h 1 Kg CO + 0’571 kg O2 1’571 Kg CO2 Caudal de aire atmosférico seco para la combustión incompleta del CO en el combustible empleado 22337,503 m3aire/h 21472,775 Nm3aire/h Emisión de CO2 producto de la reacción de 1Kg CO 353867,090 mgCO2/m3aire 368117,641 mgCO2/Nm3aire Caudal de oxígeno O2 para la combustión incompleta del CO en el combustible empleado 4679,707 m3O2/h 4498,546 Nm3O2/h 1 Kg H2 + 8 Kg O2 9 Kg H2O No es contaminante Caudal de aire atmosférico seco para la combustión del H2 en el combustible empleado 5378,865 m3aire/h 5170,638 Nm3aire/h Humedad H2O producto de la reacción de 1Kg H2 34842,444 mgH2O/m3aire 36245,581 mgH2O/Nm3aire Caudal de oxígeno O2 para la combustión del H2 en el combustible empleado 1126,872 m3O2/h 1083,249 Nm3O2/h 1 Kg S + 1 Kg O2 2 Kg SO2 Caudal de aire atmosférico seco para la combustión del S en el combustible empleado 1365,542 m3aire/h 1312,679 Nm3aire/h Emisión de SO2 producto de la reacción de 1Kg S 15725,356 mgSO2/m3aire 16358,630 mgSO2/Nm3aire Caudal de oxígeno O2 para la combustión del S en el combustible empleado 286,081 m3O2/h 275,006 Nm3O2/h
1 Kg SO2 + 0´25 Kg O2 1’25 Kg SO3 Caudal de aire atmosférico seco para la combustión de la parte de SO2 que se oxida en SO3 8,193 m3aire/h 7,876 Nm3aire/h Emisión de SO3 producto de la reacción de 1Kg SO2 19656,695 mgSO3/m3aire 20448,288 mgSO3/Nm3aire Caudal de oxígeno O2 para la combustión del SO2 en el combustible empleado 1,716 m3O2/h 1,650 Nm3O2/h
Descripción del modelo desarrollado
90
1 kg N + 1’143 kg O2 2’143 Kg NO Caudal de aire atmosférico seco para la combustión del N en el combustible empleado 372,142 m3aire/h 357,735 Nm3aire/h Emisión de NO producto de la reacción de 1Kg N 4017,441 mgNO/m3aire 4179,227 mgNO/Nm3aire Caudal de oxígeno O2 para la combustión del N en el combustible empleado 77,964 m3O2/h 74,946 Nm3O2/h 1 kg NO + 0,533 Kg O2 1,533 kg NO2 Caudal de aire atmosférico seco para la combustión del NO en el combustible empleado 371,887 m3aire/h 357,491 Nm3aire/h Emisión de NO2 producto de la reacción de 1Kg NO 6158,738 mgNO2/m3aire 6406,756 mgNO2/Nm3aire Caudal de oxígeno O2 para la combustión del NO en el combustible empleado 77,910 m3O2/h 74,894 Nm3O2/h Caudal teórico de aire atmosférico seco para la combustión incompleta 52164,416 m3aire/h 50145,030 Nm3aire/h Caudal teórico de aire atmosférico seco para la combustión completa 52274,724 m3aire/h 50251,068 Nm3aire/h Caudal de oxígeno O2 teórico para la combustión completa 10951,555 m3O2/h 10527,599 Nm3O2/h Caudal de oxígeno O2 teórico para la combustión incompleta 10928,445 m3O2/h 10505,384 Nm3O2/h
Caudal teórico de aire atmosférico seco para la combustión completa considerando factor exceso de 1,163 58441,992 Nm3aire/h
Descripción del modelo desarrollado
91
3.4.4. EMISIONES EN LA SITUACIÓN CON BIOMASA
Datos de partida Valor Unidad Valor Unidad Equivalencia moles y gramos de O2 1 mol 32 g Equivalencia moles y gramos de C 1 mol 12 g Equivalencia moles y gramos de CO 1 mol 28 g Equivalencia moles y gramos de CO2 1 mol 44 g Equivalencia moles y gramos de H2 1 mol 2 g Equivalencia moles y gramos de H2O 1 mol 18 g Equivalencia moles y gramos de S 1 mol 32 g Equivalencia moles y gramos de SO2 1 mol 64 g Equivalencia moles y gramos de SO3 1 mol 80 g Equivalencia moles y gramos de N 1 mol 14 g Equivalencia moles y gramos de NO 1 mol 30 g Equivalencia moles y gramos de NO2 1 mol 46 g Equivalencia litros y moles en gases 22,32 l 1 mol Cantidad de oxígeno O2 en el aire seco atmosférico 20,95 % v/v Carbono C en el combustible en base seca 42,04 % en peso Hidrógeno H2 en el combustible en base seca 5,52 % en peso Azufre S en el combustible en base seca 0,12 % en peso Nitrógeno N en el combustible en base seca 1,13 % en peso Consumo de combustible molido y seco (biomasa) 1,438 t/h Temperatura del aire ambiente 11 ºC Presión atmosférica en la zona 1,01325 bar
Producción de clínquer 63,417 t/h 63416,667 Kg/h
Características del coque de petróleo empleado en la situación con biomasa Valor Unidad Valor Unidad
Carbono C en el combustible en base seca 75,493 % en peso Hidrógeno H2 en el combustible en base seca 3,023 % en peso Azufre S en el combustible en base seca 6,140 % en peso Nitrógeno N en el combustible en base seca 1,464 % en peso
Consumo de combustible molido y seco (coque de petróleo) 6,012 t/h
Descripción del modelo desarrollado
92
*Nitrógeno con biomasa Valor Unidad Valor Unidad 1 kg N + 1’143 kg O2 → 2’143 Kg NO Volumen de oxígeno O2 para la combustión de 1Kg N 0,797 m3O2/KgN Volumen de aire atmosférico seco para la combustión de 1Kg N 3,805 m3/KgN Cantidad de nitrógeno N en el combustible empleado 16,249 KgN/h Caudal de aire atmosférico seco para la combustión del N en el combustible empleado 61,836 m3aire/h 59,443 Nm3aire/h Cantidad de NO que se produce con la cantidad de combustible empleado 34,822 KgNO/h Emisión de NO a la atmósfera con el caudal de gases total 667,552 mgNO/m3aire 694,435 mgNO/Nm3aire
Caudal de oxígeno O2 para la combustión del N en el combustible empleado 12,955 m3O2/h 12,453 Nm3O2/h
*Nitrógeno con coque de petróleo Valor Unidad Valor Unidad 1 kg N + 1’143 kg O2 à 2’143 Kg NO Volumen de oxígeno O2 para la combustión de 1Kg N 0,797 m3O2/KgN Volumen de aire atmosférico seco para la combustión de 1Kg N 3,805 m3/KgN Cantidad de nitrógeno N en el combustible empleado 88,007 KgN/h Caudal de aire atmosférico seco para la combustión del N en el combustible empleado 334,905 m3aire/h 321,940 Nm3aire/h Cantidad de NO que se produce con la cantidad de combustible empleado 188,598 KgNO/h Emisión de NO a la atmósfera con el caudal de gases total 3615,457 mgNO/m3aire 3761,054 mgNO/Nm3aire
Caudal de oxígeno O2 para la combustión del N en el combustible empleado 70,163 m3O2/h 67,446 Nm3O2/h
Emisión de NO producto de la reacción de 1Kg N al 10% de O2SECO considerando un 12% de O2SECO medido a la salida del precalentador con biomasa y con coque de petróleo 848,754 mgNO/Nm3aire y 4596,844 mgNO/Nm3aire Emisión de NOx Considerando que el 97% es NO con biomasa y con coque de petróleo 875,004 mgNOx/Nm3aire y 4739,015 mgNOx/Nm3aire
Descripción del modelo desarrollado
93
*Carbono. Combustión completa con biomasa Valor Unidad Valor Unidad 1 Kg C + 2’667 Kg O2 → 3’667 Kg CO2 Volumen de oxígeno O2 para la combustión completa de 1Kg C 1,860 m3O2/KgC Volumen de aire atmosférico seco para la combustión completa de 1Kg C 8,879 m3aire/KgC Cantidad de carbono C en el combustible empleado 604,535 KgC/h Caudal de aire atmosférico seco para la combustión completa del C en el combustible empleado 5367,905 m3aire/h 5160,103 Nm3aire/h Cantidad de CO2 que se produce con la cantidad de combustible empleado 2216,831 KgCO2/h Emisión de CO2 a la atmósfera con el caudal de gases total 42407,313 mgCO2/m3aire 44115,094 mgCO2/Nm3aire
Caudal de oxígeno O2 para la combustión completa del C en el combustible empleado 1124,576 m3O2/h 1081,041 Nm3O2/h
*Carbono. Combustión completa con coque de petróleo Valor Unidad Valor Unidad 1 Kg C + 2’667 Kg O2 à 3’667 Kg CO2 Volumen de oxígeno O2 para la combustión completa de 1Kg C 1,860 m3O2/KgC Volumen de aire atmosférico seco para la combustión completa de 1Kg C 8,879 m3aire/KgC Cantidad de carbono C en el combustible empleado 4538,330 KgC/h Caudal de aire atmosférico seco para la combustión completa del C en el combustible empleado 40297,605 m3aire/h 38737,606 Nm3aire/h Cantidad de CO2 que se produce con la cantidad de combustible empleado 16642,055 KgCO2/h Emisión de CO2 a la atmósfera con el caudal de gases total 318357,577 mgCO2/m3aire 331178,128 mgCO2/Nm3aire
Caudal de oxígeno O2 para la combustión completa del C en el combustible empleado 8442,348 m3O2/h 8115,528 Nm3O2/h
Estudio económico del empleo de biomasa
1
4ESTUDIO ECONÓMICO DEL EMPLEO DE BIOMASA
Estudio económico del empleo de biomasa
2
4.1. ECONOMÍA ACTUAL DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN
El presente proyecto se ha realizado en una situación en estado estacionario en la que el
proceso producción del clínker se realiza con el horno rotativo en marcha directa.
Cuando el horno rotativo funciona en marcha mixta parte del caudal de gases de salida
del precalentador es empleado antes de su emisión a la atmósfera para secar el materia
prima que se alimenta en el proceso.
Existen diferentes costes de fabricación en el proceso de fabricación del clínker. En el
presente proyecto se ha centrado el estudio en los equipos principales del proceso de
producción que son el precalentador, horno rotativo y enfriador de clínker.
A continuación se clasifican estos costes de acuerdo a los equipos principales del
proceso.
Precalentador:
- kWh del ventilador principal de tiro forzado.
- t/h de materia prima.
- kWh de energía de las diferentes válvulas e instrumentación para manutención.
- t/h de combustible, coque de petróleo, alimentado en el quemador secundario del
precalcinador.
Horno rotativo:
- kWh de energía para hacer girar el horno rotativo.
- t/h de combustible, coque de petróleo, alimentado en el quemador principal del horno.
- kWh de la soplante que suministra el aire primario y el aire de transporte del
combustible, coque de petróleo, al quemador principal.
- kWh de los ventiladores para el aire de enfriamiento de la virola del horno.
Estudio económico del empleo de biomasa
3
Enfriador de clínker:
- kWh de energía de los ventiladores del enfriador de clínker para introducir el aire de
combustión (secundario) y enfriamiento del clínker.
- kWh de energía para mover las parrillas del enfriador de clínker.
Además de los costes antes enumerados existen otros asociados a los demás equipos que
completan el proceso de producción como por ejemplo los ventiladores de los filtros de
mangas, los molino, etc.
El consumo de combustible es la variable básica que se analiza en el presente proyecto,
por su sustitución con biomasa y su coste será la referencia para el estudio económico
del presente proyecto.
Se ha considerado que el combustible empleado en la situación de referencia es coque
de petróleo, siendo su consumo total de 6.680 Kg/h en el quemador principal y en el
secundario.
El coque de petróleo es un subproducto de refinería, cuyo mercado principal son
cementeras y siderurgias. Debido a la creciente necesidad de las refinerías de procesar
crudos cada vez más pesados, tiene una producción creciente a nivel mundial,
destacando Estados Unidos, México y Venezuela como principales países productores.
Estudio económico del empleo de biomasa
4
[Fuente: Elcogas S.A.]
El coque de petróleo tiene precios inferiores a los del carbón, siendo ésta una de las
razones por las que se ha generalizado su empleo en las plantas cementeras.
En el presente proyecto se ha establecido un precio medio para el coque de petróleo de
50 €/t.
Estudio económico del empleo de biomasa
5
4.2. ECONOMÍA CON LA INTRODUCCIÓN DE LA BIOMASA
En una planta de producción de clínker los costes de fabricación más importantes son los
relacionados con el personal y con el consumo de energía (combustibles y electricidad).
Dada la necesidad real en el sector cementero de reducir costes de fabricación derivados del uso
de combustibles tradicionales, la finalidad última del presente proyecto consiste en realizar el
estudio de viabilidad económica del empleo de biomasa como combustible parcial para horno
rotativo por vía seca de producción de clínker en la planta cementera que se ha tomado como
referencia y que emplea como combustible tradicional el coque de petróleo.
El presente proyecto ha pretendido analizar los aspectos técnicos y ambientales que supone la
sustitución de dicho combustible por biomasa en su forma de cyanara cardunculus (cardo).
Por estas razones, el empleo de biomasa como combustible alternativo resulta de especial interés
en el proceso de producción del cemento, no sólo por los beneficios económicos que puede
llevar consigo y que analizamos a continuación sino por los beneficios ambientales que se
consiguen derivados del empleo de un combustible respetuoso con el medioambiente.
Estudio económico del empleo de biomasa
6
4.2.1. CANTIDADES DE BIOMASA INTRODUCIBLES SIN ALTERAR EL PROCESO
El estudio del balance térmico de la instalación con las entradas y salidas de calor que son
aplicables ha permitido analizar las variables que pueden afectar de manera significativa a la
introducción de biomasa en el proceso.
La alimentación de la harina de crudo permanece inalterada para mantener la misma producción
de clínker que en la situación de referencia. El aire introducido para la combustión a pesar de
sufrir variaciones éstas no se han considerado significativas en la posible variación del calor
específico para la formación del clínker. Por lo tanto, el combustible, que representa el 97,89%
del calor específico para la formación del clínker, es la variable básica que condiciona el balance
térmico del proceso.
En cuanto a las salidas de calor podemos decir que el calor de clinquerización permanece
invariable si la temperatura de llama se mantiene con la introducción de biomasa creando las
condiciones de temperatura para la formación del clínker. Por otro lado el calor del polvo de
salida del precalentador, el clínker de salida del enfriador y las pérdidas por radiación y
convección en precalentador, horno y enfriador se han considerado iguales si se introduce
biomasa ya que no se ha identificado ninguna variable que incida sobre una posible modificación
que deba considerarse. De igual manera que en el calor de entrada, se ha despreciado la posible
variación del calor en el caudal de gases de salida del precalentador y enfriador puesto que su
variación no se ha considerado significativa.
Por lo tanto, la humedad del combustible es la variable limitadora fundamental que limita la
introducción de biomasa en el proceso puesto que los Kg de agua que hay que evaporar son
superiores con la introducción de biomasa, lo cual requiere de un consumo de calor adicional
para completar esta evaporación.
Como ya se ha comentado en el balance térmico la humedad tanto en el combustible como en la
harina de crudo es una salida de calor que debe ser considerada de acuerdo al calor latente de
vaporización.
Estudio económico del empleo de biomasa
7
En la situación de referencia con coque de petróleo y en la situación con biomasa se ha optado
por mantener la misma humedad: 0,093 % en peso para la harina de crudo y 0,595 % en peso
para el combustible.
Cabe destacar que la harina de crudo antes de ser introducida en el precalentador ha pasado por
diferentes procesos de secado cuando el horno rotativo funciona en marcha mixta. También el
combustible antes de ser introducido en el quemador se prepara para introducirlo con la mínima
humedad posible.
Si consideramos que la harina de crudo que se emplea en ambas situaciones es la misma resulta
evidente la no modificación de su humedad.
En cuanto al coque de petróleo también resulta lógico mantener las mismas características de
humedad, sin embargo, la biomasa se puede presentar con un grado de humedad diferente que en
el caso de que sea mayor provocará unas pérdidas mayores de calor.
A efectos prácticos en el balance térmico se ha considerado que la biomasa deberá de ser
introducida al horno con la misma humedad que el coque de petróleo siendo éste un parámetro
limitador del empleo de la misma.
Esta suposición resulta plausible considerando que generalmente en las plantas de producción de
clínker existen instalaciones de molienda y secado de combustible que pueden ser adaptadas o
utilizadas para el secado de la biomasa.
Disminuyendo en el balance térmico el consumo de coque de petróleo e incrementando
progresivamente el consumo de biomasa se observa que hay un desequilibrio debido a que la
biomasa introduce una humedad que se ha de evaporar, produciendo un calor de salida en
ocasiones superior a la situación con coque de petróleo 118,638 Kcal/Kgck.
Como sólo se modifican la entrada de calor debida al combustible (coque de petróleo y biomasa)
y la salida de calor por evaporación de la humedad, el balance siempre resulta negativo (más
salida que entrada de calor) por lo que se ha aceptado que una variación en el balance cercana a
la mínima contribución en la situación con coque de petróleo es aceptable, es decir, la del aire
total seco introducido para la combustión: 3,111 Kcal/Kgck (0,363 % del calor específico para la
Estudio económico del empleo de biomasa
8
formación de clínker) que por otro lado sabemos que sufre variaciones no consideradas en
análisis estacionario del proceso.
Se ha aceptado que este desequilibrio sea de un 0,46% respecto del calor específico total para la
formación del clínker, con unas pérdidas de calor por la evaporación de humedad de 3,9
Kcal/Kgck.
De lo anterior se desprende que un porcentaje de sustitución de calor de coque de petróleo por
biomasa del 10% es el valor a considerar en el presente proyecto como caso base.
Unos porcentajes mayores de sustitución pueden provocar desequilibrios en el balance térmico, y
por lo tanto en el proceso, que son insostenibles debido a variaciones en los caudales de aire de
combustión que afectarían a otras salidas de calor.
Cabe destacar que el máximo porcentaje de diferencia es de entorno el 4,5% con un consumo
máximo de biomasa y un consumo nulo de coque de petróleo tal y como muestra la figura
siguiente.
Estudio económico del empleo de biomasa
9
4.2.2. COSTE DE LA BIOMASA
Del análisis de la biomasa realizado anteriormente se desprende que en función de los diferentes
escenarios tenemos los siguientes precios y disponibilidades:
Precio de la biomasa máximo: 46€/t
Precio de la biomasa mínimo: 26€/t
Disponibilidad anual máxima: 284.000 t
Disponibilidad anual mínima: 116.000 t
Estudio económico del empleo de biomasa
10
4.2.3. COMERCIO DE EMISIONES: BENEFICIOS POR LA REDUCCIÓN DE
EMISIONES
Los mercados de derechos de emisión tienen como objetivo la reducción de las emisiones
globales de distintos contaminantes.
Para ello, se establecen niveles de emisiones inferiores a los límites legales, y las instalaciones
que los sobrepasan deben adquirir créditos o derechos de emisión de las centrales con emisiones
inferiores a dichos niveles.
De esta forma, la diferencia entre las emisiones de distintos procesos industriales se traduce en
un valor económico, beneficio para el proceso más limpio y coste añadido para el que tiene
mayores emisiones.
De acuerdo a la descripción de los cálculos realizada anteriormente las emisiones de NOx y CO2
son las que se han analizado con detenimiento por su influencia en la introducción de la biomasa
Los valores de NOx obtenidos son perfectamente sostenibles más aún con la existencia de nuevas
técnicas de reducción basadas en sistemas de reducción selectiva catalíticos y no catalíticos y se
considera que no tienen una influencia económica que se deba tener en cuenta en el presente
proyecto.
Sin embargo la emisión de CO2 que depende de la combustión es un valor a tener en cuenta en lo
que respecta al mercado de emisiones.
Después de la consulta de diversas referencias bibliográficas, se ha estimado el valor económico
potencial de la reducción de emisiones de CO2 que permite una planta de producción de cemento
como la del presente proyecto.
Estudio económico del empleo de biomasa
11
Por lo tanto se ha considerado los siguientes precios por tonelada no emitida de CO2:
Precio de la tonelada de CO2 no emitida a la atmósfera máximo 27,000 €/t
Precio de la tonelada de CO2 no emitida a la atmósfera nominal 22,000 €/t
Precio de la tonelada de CO2 no emitida a la atmósfera mínimo 11,000 €/t
La biomasa, por su abundancia es considerada una de las fuentes renovables con mayor potencial
de desarrollo. Además, la emisión de CO2 derivada de su uso energético es contabilizada como
nula, de acuerdo a la Directiva para comercio de derechos de emisión de gases de efecto
invernadero de la Comisión Europea.
No obstante, hasta ahora su utilización se ve limitada por el carácter estacional y disperso de
estos recursos, que los hace poco económicos para generación en grandes procesos, unido esto a
la escasez de estudios como el presente proyecto.
Estudio económico del empleo de biomasa
12
4.2.4. COSTE DE ADAPTACIÓN DE LA BIOMASA AL PROCESO DE PRODUCCIÓN
En el proyecto se ha determinado la cantidad de biomasa (cardo) que es posible introducir en la
instalación de producción de clínker.
Una vez que se recibe en la planta de cemento la biomasa al precio estipulado, que incluye el
precio de transporte, se almacenará en cantidades suficientes para satisfacer una demanda
temporal limitada de un mes para su posterior tratamiento e inyección en el horno rotativo.
El consumo mensual de biomasa como combustible en la instalación se considerará constante.
Los costes involucrados en la introducción de la biomasa los podemos clasificar en:
- Costes de inversión en equipos de almacenamiento.
- Costes de inversión en equipos de tratamiento.
- Costes de almacenamiento.
- Costes de operación y mantenimiento de los nuevos equipos.
Los costes de almacenamiento, operación y mantenimiento no serán analizados en el proyecto
por no ser imputables al coste de adaptación de la biomasa a la planta de cemento ya que
dependerán de otros factores internos a la fábrica.
La necesidad de cardo para el proceso es de 1,438 t/h x 7.320 h/año = 10.526,16 t/año, lo que
significa una necesidad mensual de cardo de 878 t. Cabe destacar que la disponibilidad anual de
cardo es muy superior tal y como se ha comentado anteriormente.
La recepción del cardo en planta se realizaría en semiremolques, en forma de pacas de
dimensiones 1,2 m x 0,7 m x 0,9 m con un peso aproximado de 250 Kg/paca, alcanzando una
carga de semiremolque estimada en 13,5 t (54 pacas).
Por lo tanto, la logística de la planta debe prever la recepción de 878 t /13,5 t = 65
semiremolques que descargarían el cardo en una nave con capacidad de almacenar el consumo
mensual del mismo. Esta nave deberá tener unas dimensiones libres aproximadas de 30 m x 15 m
Estudio económico del empleo de biomasa
13
x 6 m y debería de incluir un sistema de desempacado y alimentación por cinta al sistema de
tratamiento.
A modo orientativo se incluye un diagrama del sistema de tratamiento necesario y un quemador
multicanal preparado para el empleo de combustibles alternativos, incluida la biomasa.
[Fuente: Elaboración propia]
Estudio económico del empleo de biomasa
14
Se puede estimar que la inversión necesaria sería de 500.000 € incluyendo el montaje (5%).
- Costes de inversión en equipos de almacenamiento:
Nave industrial para almacenamiento mensual de pacas de cardo (35%).
Sistema de desempacado (6,5%).
Cinta de transporte para alimentación de cardo al sistema de tratamiento (6,5%).
- Costes de inversión en equipos de tratamiento.
Sistema de tratamiento del cardo para la reducción de la granulometría a tamaños inferiores a 10
mm (35%).
Transporte neumático para la alimentación a los quemadores (12%).
A la vista de los resultados de la valoración económica incluida más adelante se pueden extraer
conclusiones para los siguientes escenarios considerados:
- Escenario 1 (Ahorro total por empleo de biomasa a precio mínimo con precio por no emisión
de CO2 máximo)
- Escenario 2 (Ahorro total por empleo de biomasa a precio mínimo con precio por no emisión
de CO2 nominal)
- Escenario 3 (Ahorro total por empleo de biomasa a precio mínimo con precio por no emisión
de CO2 mínimo)
- Escenario 4 (Ahorro total por empleo de biomasa a precio máximo con precio por no emisión
de CO2 máximo)
- Escenario 5 (Ahorro total por empleo de biomasa a precio máximo con precio por no emisión
de CO2 nominal)
- Escenario 6 (Ahorro total por empleo de biomasa a precio máximo con precio por no emisión
de CO2 mínimo)
En los resultados económicos se ha indicado el periodo de retorno simple de la inversión, en
cada escenario de establecimiento de precios de CO2 y biomasa, calculado como el cociente
entre la inversión anual necesaria y el ahorro total que se consigue con la introducción de la
biomasa.
Estudio económico del empleo de biomasa
15
Adicionalmente se ha indicado el número de años mínimos necesarios para que en cada
escenario la inversión necesaria sea rentable, calculado para que el valor actual de la inversión
(VAN) con una tasa de descuento del 12% sea positivo y la tasa interna de retorno (TIR) sea
superior a la tasa de descuento establecida.
Como conclusiones principales se obtiene que en el escenario 6 no resulta aconsejable para
realizar ningún tipo de inversión y que dentro de los escenarios viables, el máximo número de
años para los que la inversión debe ser válida es de 7 años, correspondiente al escenario 5. Por lo
tanto si se realizara una inversión con el desconocimiento del establecimiento de precios para
biomasa y CO2 el tiempo a considerar para la inversión desde un punto pesimista sería de 7 años.
TABLA DE DATOS ECONÓMICOS DE PARTIDA
Tasa de descuento
Inversión inicial
Flujo año 1
Flujo año 2
Flujo año 3
Flujo año 4
Flujo año 5
Flujo año 6
Flujo año 7
E1 0,12 -500.000 409.089 409.089 409.089 409.089 409.089 409.089 409.089E2 0,12 -500.000 327.953 327.953 327.953 327.953 327.953 327.953 327.953E3 0,12 -500.000 149.454 149.454 149.454 149.454 149.454 149.454 149.454E4 0,12 -500.000 198.565 198.565 198.565 198.565 198.565 198.565 198.565E5 0,12 -500.000 117.429 117.429 117.429 117.429 117.429 117.429 117.429E6 0,12 -500.000 Negativo Negativo Negativo Negativo Negativo Negativo Negativo TABLA DE RESULTADOS ECONÓMICOS PARA EL ESTABLECIMIENTO DEL PERIODO DE INVERSIÓN Payback simple VAN TIR Rentabilidad a Escenario 1 1,22 191.381 0,40 2 años Escenario 2 1,52 54.257 0,20 2 años Escenario 3 3,35 38.750 0,15 5 años Escenario 4 2,52 103.113 0,21 4 años Escenario 5 4,26 35.919 0,14 7 años
TABLA DE RESULTADOS ECONÓMICOS (VAN Y TIR PARA 7 AÑOS)
VAN a 7 años
TIR a 7 años
Escenario 1 1.366.981 0,81Escenario 2 996.696 0,63Escenario 3 182.074 0,23Escenario 4 406.204 0,35Escenario 5 35.919 0,14
Estudio económico del empleo de biomasa
16
4.3. VALORACIÓN ECONÓMICA.
Valor Unidad Precios de combustible Precio de la tonelada de coque de petróleo nominal 50,000 €/t Precio de la tonelada de biomasa máximo 46,000 €/t Precio de la tonelada de biomasa mínimo 26,000 €/t
Mercado de emisiones Precio de la tonelada de CO2 no emitido a la atmósfera máximo 27,000 €/t Precio de la tonelada de CO2 no emitido a la atmósfera nominal 22,000 €/t Precio de la tonelada de CO2 no emitido a la atmósfera mínimo 11,000 €/t Datos de proceso resultado de los cálculos Consumo de coque de petróleo en la situación de referencia 6,680 t/h Consumo de coque de petróleo en la situación con biomasa (caso base 10% sustitución = CB10S) 6,012 t/h Consumo de biomasa en la situación con biomasa (caso base 10% sustitución = CB10S) 1,438 t/h
Emisión de CO2 en la situación de referencia 18492,402 KgCO2/h Emisión de CO2 por la biomasa en la situación con biomasa (caso base 10% sustitución = CB10S) 2216,831 KgCO2/h Emisión de CO2 por el coque de petróleo en la situación con biomasa (caso base 10% sustitución = CB10S) 16642,055 KgCO2/h
Factura horaria de combustible Coste de coque de petróleo en la situación de referencia 334,00 €/h Coste de coque de petróleo en la situación con biomasa (CB10S) 300,58 €/h Coste de biomasa en la situación con biomasa de precio máximo (CB10S) 66,15 €/h Coste de biomasa en la situación con biomasa de precio mínimo (CB10S) 37,39 €/h
Ahorro horario por menor emisión de CO2 en ciclo completo Ahorro en la situación con biomasa (CB10S) con precio de la tonelada de CO2 no emitido a la atmósfera máximo 59,85 €/h Ahorro en la situación con biomasa (CB10S) con precio de la tonelada de CO2 no emitido a la atmósfera nominal 48,77 €/h Ahorro en la situación con biomasa (CB10S) con precio de la tonelada de CO2 no emitido a la atmósfera mínimo 24,39 €/h
Estudio económico del empleo de biomasa
17
Valor Unidad Resultados económicos (periodo de 1 año) Horas de operación en 1 año (2 meses de parada) 7320 h Coste total en la situación de referencia 2444880,00 € Coste de combustible en la situación con biomasa (CB10S) con precio de biomasa mínimo y precio coque de petróleo nominal 2473925,76 € Ahorro en la situación con biomasa (CB10S) con precio de la tonelada de CO2 no emitido a la atmósfera máximo 438134,40 € Ahorro en la situación con biomasa (CB10S) con precio de la tonelada de CO2 no emitido a la atmósfera nominal 356998,40 € Ahorro en la situación con biomasa (CB10S) con precio de la tonelada de CO2 no emitido a la atmósfera mínimo 178499,20 € Coste total en la situación con biomasa (CB10S) a precio mínimo con ahorro máximo por no emisión de CO2 2035791,36 € Coste total en la situación con biomasa (CB10S) a precio mínimo con ahorro nominal por no emisión de CO2 2116927,36 € Coste total en la situación con biomasa (CB10S) a precio mínimo con ahorro mínimo por no emisión de CO2 2295426,56 € Ahorro total por empleo de biomasa a precio mínimo con precio por no emisión de CO2 máximo 409088,64 € Ahorro total por empleo de biomasa a precio mínimo con precio por no emisión de CO2 nominal 327952,64 € Ahorro total por empleo de biomasa a precio mínimo con precio por no emisión de CO2 mínimo 149453,44 € Coste de combustible en la situación con biomasa (CB10S) con precio de biomasa máximo y precio coque de petróleo nominal 2684448,96 € Ahorro en la situación con biomasa (CB10S) con precio de la tonelada de CO2 no emitido a la atmósfera máximo 438134,40 € Ahorro en la situación con biomasa (CB10S) con precio de la tonelada de CO2 no emitido a la atmósfera nominal 356998,40 € Ahorro en la situación con biomasa (CB10S) con precio de la tonelada de CO2 no emitido a la atmósfera mínimo 178499,20 € Coste total en la situación con biomasa (CB10S) a precio máximo con ahorro máximo por no emisión de CO2 2246314,56 € Coste total en la situación con biomasa (CB10S) a precio máximo con ahorro nominal por no emisión de CO2 2327450,56 € Coste total en la situación con biomasa (CB10S) a precio máximo con ahorro mínimo por no emisión de CO2 2505949,76 € Ahorro total por empleo de biomasa a precio máximo con precio por no emisión de CO2 máximo 198565,44 € Ahorro total por empleo de biomasa a precio máximo con precio por no emisión de CO2 nominal 117429,44 € Ahorro total por empleo de biomasa a precio máximo con precio por no emisión de CO2 mínimo -61069,76 €
Análisis de resultados
1
5ANÁLISIS DE RESULTADOS
Análisis de resultados
2
5.1.- RESULTADOS DEL MODELO EN LA SITUACIÓN DE REFERENCIA Y EN
LA SITUACIÓN CON BIOMASA
A continuación se presentan los resultados del caso base en la situación de referencia, es
decir, empleando exclusivamente coque de petróleo como combustible y en la situación
con biomasa, es decir, sustituyendo por biomasa un 10% del calor introducido por el
coque de petróleo para la producción de clínker en la instalación objeto del presente
proyecto.
Análisis de resultados
3
En el horizonte de estudio de un año o 7.320 horas de operación, una instalación de
producción de clínker similar a la descrita en el presente proyecto puede obtener la
siguiente reducción en sus costes de operación por la introducción de biomasa en el
proceso de combustión:
Ahorro mínimo: 117.429,44 €
Ahorro máximo: 409.088,64 €
En ambas situaciones se ha tomado como caso base la sustitución del 10% de calor por
biomasa.
Las diferencias estriban en los precios de la biomasa en el mercado así como el precio
de la tonelada de CO2 que no se emite a la atmósfera, de acuerdo al mercado de
emisiones y considerando el ciclo completo de la biomasa.
El caso más favorable es aquel en el que el precio de la biomasa es mínimo y el precio
por tonelada de CO2 no emitida es máximo, de acuerdo a los valores considerados en el
estudio económico.
Por otro lado, el caso menos favorable es aquel en el que el precio de la biomasa es
máximo y el precio por tonelada de CO2 no emitida es medio, de acuerdo a los valores
considerados en el estudio económico.
No resulta viable la peor situación de establecimiento de precios para una biomasa con
precio máximo y un precio por tonelada de CO2 no emitida mínima.
Análisis de resultados
4
5.2.- ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD
La variable de proceso que limita la introducción de biomasa en el horno rotativo de
cemento es la humedad de la misma.
En el caso base se ha considerado que la biomasa introducida supone un 10% de
sustitución de calor respecto a la situación de referencia con coque de petróleo
exclusivamente, existiendo una desviación en la humedad del combustible introducido
en el balance térmico del 0,46%.
Bajo estas premisas se ha calculado la cantidad de coque de petróleo y de biomasa
necesarias para mantener el mismo calor específico para la formación de un kg de
clínker.
A continuación se analizan las variaciones de los consumos de combustible (coque de
petróleo y biomasa) considerando su influencia en el balance térmico de la instalación.
Análisis de resultados
5
Análisis de resultados
6
Análisis de resultados
7
Conclusiones
1
6CONCLUSIONES
Conclusiones
2
6.1.- CONCLUSIONES SOBRE LA METODOLOGÍA Y LOS RESULTADOS
La producción de cemento en una planta cementera se basa en un proceso de
combustión que permite la formación del clínker, materia prima del cemento.
El presente proyecto ha estudiado la introducción de biomasa como combustible en una
planta cementera.
Una vez que se ha descrito el proceso productivo del cemento se ha seleccionado como
instalación de referencia el tipo de instalación más empleado en España, es decir, un
horno rotativo por vía seca.
La premisa fundamental del proyecto es que la introducción de biomasa no puede
alterar el proceso productivo y para ello se han analizado todas las posibles variables de
proceso que pudieran verse alteradas por la introducción de biomasa como combustible
en el proceso de producción del clínker.
De esta manera se han analizado las siguientes variables:
1. Grado de llenado del horno.
2. Tiempo de residencia de la materia prima en el horno.
6. Transmisión de calor: radiación y convección.
3. Temperatura de la llama.
4. Longitud de la llama.
5. Volumen de gases.
Gracias al cálculo del balance térmico realizado en el horno rotativo por vía seca se ha
podido obtener una cantidad de biomasa sustitutiva del coque de petróleo que es posible
introducir como combustible parcial sin alterar el proceso productivo.
Posteriormente se han comparado las emisiones que se producen en la situación de
referencia con las que se producen en la situación con biomasa.
Conclusiones
3
Finalmente, se han establecido precios para la biomasa a emplear, así como precios por
no emisión de CO2 a la atmósfera con el fin de establecer el ahorro económico que
supone la introducción de la biomasa como combustible.
La metodología empleada, basada en cálculos de proceso, ha permitido obtener de
manera objetiva el ahorro económico y mejora medioambiental por la reducción de las
emisiones derivado del empleo de la biomasa, siendo las siguientes conclusiones las
principales:
1. Cantidad máxima de sustitución.
La introducción de biomasa como combustible tiene como limitación el grado de
humedad de la misma, pudiéndose sustituir por biomasa un 10% del calor que
proporciona el coque de petróleo, de acuerdo a los resultados del balance térmico
realizado.
2. Variables del proceso productivo inalteradas.
La sustitución del combustible por biomasa no altera las variables del proceso
productivo, manteniendo la misma cantidad y calidad de materia prima empleada y
clínker producido.
3. Caudal de gases y concentración de polvo.
El caudal de gases de combustión a tratar permanece igual con la introducción de
biomasa, sin embargo, la concentración de polvo en los gases de emisión puede verse
incrementada por la introducción de biomasa.
Se ha demostrado que este incremento en la concentración de polvo no tiene influencia
en el filtro de mangas del horno rotativo puesto que el rendimiento de filtración de este
equipo puede absorberlo.
Conclusiones
4
4. Emisiones.
De las principales emisiones que se producen en la producción de clínker, el CO2 es el
que experimenta variación con la introducción de biomasa.
La emisión de CO2 en la situación de referencia es de 18,49 tCO2/h mientras que en la
situación con biomasa es de 18.86 tCO2/h, de los cuales 2,22 tCO2/h son producidos por
la biomasa.
En cómputos globales, el CO2 en su ciclo completo, experimenta una reducción gracias
al empleo de la biomasa.
5. Disponibilidad.
La disponibilidad de biomasa del proyecto, Cyanara Cardunculus, en la Comunidad
Autónoma de Madrid permite el abastecimiento de biomasa para la instalación de
referencia.
Cabe destacar que en la zona centro de la península existen cuatro plantas cementeras
Castillejo (CEMEX), Villaluenga (LAFARGE ASLAND), Yeles (HOLCIM), Morata
de Tajuña (CEMENTOS PORTLAND) con procesos semejantes a la instalación de
referencia.
6. Ahorro económico.
Los resultados del balance térmico obtenidos permiten deducir una ventaja sostenible en
base a unos precios de referencia establecidos para la biomasa, coque de petróleo y CO2.
Se han establecido dos posibles precios para el suministro de biomasa a la planta
cementera de referencia, un precio para el coque de petróleo y tres posibles precios por
no emisión de CO2, dando lugar a seis posibles escenarios económicos.
Exceptuando el escenario más pesimista en el que el precio de la biomasa es máximo y
el precio por no emisión de CO2 es mínimo, en todos los escenarios hay un ahorro
Conclusiones
5
económico por el empleo de la biomasa, oscilando desde los 409.088 € hasta los
117.429 €.
7. Inversiones de adaptación.
De acuerdo los escenarios antes comentados la adaptación de la biomasa al proceso
productivo requerirían de unas inversiones que en el caso más desfavorable encontrarían
su rentabilidad en un plazo máximo de 7 años.
Conclusiones
6
6.3.- RECOMENDACIONES PARA FUTUROS ESTUDIOS
Un análisis más exhaustivo del proceso en las partes adyacentes al horno rotativo, es
decir, precalentador de ciclones y enfriador de clínker, ha quedado fuera del alcance del
presente proyecto.
En futuros estudios se deberían incluir estas partes con el fin de optimizar los resultados
obtenidos de la cantidad de biomasa que puede sustituir al coque de petróleo.
Adicionalmente, el empleo en el proceso de cálculo de un análisis dinámico del proceso
con todas las partes involucradas que permita variaciones en la composición de la
materia prima, combustible y clínker mejoraría la exactitud de los resultados.
Por otro lado, aunque las plantas cementeras españolas se encuentran adscritas al
mercado de emisiones de gases de efecto invernadero, en la actualidad el
establecimiento de los precios por no emisión de CO2 no se encuentra fijado.
Sería interesante que en futuros estudios, el precio de la tonelada de CO2 no emitido se
encuentre fijado de acuerdo a los criterios que afecten al sector cementero español.
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Apéndices
1
APÉNDICES
Apéndice 1: Estequiometría
2
APÉNDICE 1: ESTEQUIOMETRÍA
1. ESTEQUIOMETRÍA DE LA COMBUSTIÓN Los constituyentes del combustible reaccionan exotérmicamente con el oxígeno liberando calor y productos de combustión. Los constituyentes del combustible relevantes en el proyecto son C, H, S, N. Los productos de combustión relevantes en el proyecto son CO2, CO, SO2, NOx. CARBONO. COMBUSTIÓN COMPLETA. 1 mol C + 1 mol O2 1 mol CO2 Esta reacción exotérmica libera 94’050 Kcal/mol. Redondeando los números atómicos: 12 g C + 32 g O2 44 g CO2 Dividiendo por 12 y multiplicando por 1000 para dejar la reacción expresada en Kg de C: 1 Kg C + 2’667 Kg O2 3’667 Kg CO2 Liberando 7.837’500 Kcal/mol. Por lo tanto se necesitan 2’667 Kg de O2 para que reaccionen con 1Kg de C o
lo que es lo mismo 3860'1233'860.11
32'22321667.2 ml
moll
gmolg ==×× de O2.
El aire seco contiene un 20’95% en volumen de O2, luego 3
3
33 878'8
95'20100860'1 m
mmm =× de aire seco son necesarios para que producir la
reacción exotérmica completa de 1Kg de C.
Apéndice 1: Estequiometría
3
CARBONO. COMBUSTIÓN INCOMPLETA. Con O2 insuficiente el carbono genera CO, es decir, se produce una combustión incompleta. 1 mol C + 1/2 mol O2 1 mol CO equivalente a 2 mol C + 1 mol O2 2 mol CO Esta reacción exotérmica libera (primer equilibrio estequiométrico) 26’410 Kcal/mol. Redondeando los números atómicos: 12 g C + 16g O2 28 g CO; Nótese que: 16=32/2. Dividiendo por 12 y multiplicando por 1000 para dejar la reacción expresada en Kg de C: 1Kg C + 1’33 Kg O2 2’33 Kg CO Liberando 2.200’833 Kcal/mol. La liberación de calor en esta reacción es considerablemente menor que la reacción completa, perdiéndose 7.837’500 - 2.200’833 = 5.636’667 Kcal/mol potenciales que se desaprovechan. Esto muestra la necesidad del exceso de combustión para evitar una combustión incompleta. Por lo tanto se necesitan 1’33 Kg de O2 para que reaccionen con 1Kg de C o lo
que es lo mismo 3928'0675'9271
32'223211330 ml
moll
gmolg ==×× de O2.
El aire contiene un 20’95% en volumen de O2, luego 3
3
33 300'4
95'20100928'0 m
mmm =× de aire son necesarios para que producir la
reacción exotérmica completa de 1Kg de carbono C.
Apéndice 1: Estequiometría
4
Puede ocurrir que exista una oxidación posterior del CO. En este caso en el modelo de combustión se considera que existe suficiente oxígeno para oxidar todo el CO pero en la realidad parte del CO no se oxida, no sólo por razones de cantidad de oxígeno también por velocidad de gases por ejemplo, que impiden la reacción (cinética química) 1 mol CO + 1/2 mol O2 1 mol CO2 Esta reacción exotérmica libera: 67’640 Kcal/mol. Redondeando los números atómicos: 28 g CO + 16 g O2 44 g CO2; Nótese que: 16=32/2. Dividiendo por 28 y multiplicando por 1000 para dejar la reacción expresada en Kg de CO: 1 Kg CO + 0’571 kg O2 1’571 Kg CO2 Liberando 2.415’714 Kcal/mol. Si la reacción de formación de CO2 se realiza en dos etapas el calor que se aporta es de 2.200’833 + 2.415’714 = 4.616’547 Kcal/mol y se pierden 7.837’500 - 4.616’547 Kcal/mol potenciales que se desaprovechan. Por lo tanto se necesitan 0’571 Kg de O2 para que reaccionen con 1Kg de C o
lo que es lo mismo 3398'0273'3981
32'22321571 ml
moll
gmolg ==×× de O2
El aire contiene un 20’95% en volumen de O2, luego 33
33 900'1
95'20100398'0 m
mmm =×
de aire son necesarios para que producir la reacción exotérmica completa de 1Kg de C.
Apéndice 1: Estequiometría
5
HIDRÓGENO 1 mol H2 + 1/2 mol O2 1 mol H2O Esta reacción exotérmica libera: 68’320 Kcal/mol si es agua en estado líquido (poder calorífico superior, PCS). 57’800 Kcal/mol si es agua en estado vapor (poder calorífico inferior, PCI). Redondeando los números atómicos: 2 g H2 + 16 g O2 18 g H2O; Nótese que: 16=32/2. Dividiendo por 2 y multiplicando por 1000 para dejar la reacción expresada en Kg de H2: 1 Kg H2 + 8 Kg O2 9 Kg H2O Liberando: 34.160’000 Kcal / mol si es agua en estado líquido. 28.900’000 Kcal / mol si es agua en estado vapor. Por lo tanto se necesitan 8Kg de O2 para que reaccionen con 1Kg de H2 o lo
que es lo mismo 3580'5000'580.51
32'22321000.8 ml
moll
gmolg ==×× de O2
El aire contiene un 20’95% en volumen de O2, luego 3
3
33 635'26
95'20100580'5 m
mmm =× de aire son necesarios para que producir la
reacción exotérmica completa de 1Kg de H2.
Apéndice 1: Estequiometría
6
AZUFRE 1 mol S + 1 mol O2 1 mol SO2 Esta reacción exotérmica libera 70’720 Kcal/mol. Redondeando los números atómicos: 32 g S + 32 g O2 64 g SO2 Dividiendo por 32 y multiplicando por 1000 para dejar la reacción expresada en Kg de S: 1 Kg S + 1 Kg O2 2 Kg SO2 Liberando 2.210 Kcal/mol Por lo tanto se necesitan 1Kg de O2 para que reaccionen con 1Kg de S o lo que
es lo mismo 3698'0500'6971
32'22321000.1 ml
moll
gmolg ==×× de O2
El aire contiene un 20’95% en volumen de O2, luego 3
3
33 332'3
95'20100698'0 m
mmm =× de aire son necesarios para que producir la
reacción exotérmica completa de 1Kg de S.
Apéndice 1: Estequiometría
7
En un rango de temperaturas entre los 400 y los 1200º C, entre el 1 y el 1,5% del contenido de SO2 se oxida a SO3. Este fenómeno no sólo sucede por razones de cantidad de oxígeno sino que influyen también la velocidad de los gases o temperatura por ejemplo, que impiden la reacción (cinética química, termoquímica). Estos porcentajes no pueden determinarse por métodos analíticos y son fruto de la experimentación y sólo aplicables en los procesos de combustión en la industria cementera. SO2 +1/2 O2 SO3 Redondeando los números atómicos: 64 g SO2 + 16 g O2 80 g SO3 Dividiendo por 32 y multiplicando por 1000 para dejar la reacción expresada en Kg de SO2: 1 Kg SO2 + 0´25 Kg O2 1’25 Kg SO3 Esta reacción es exotérmica (http://www.indec.cl/manualpa.html#descripcion), en ocasiones se considera en el balance térmico de la planta de producción de clínquer, considerando como entrada de calor la oxidación de sulfuros. La cantidad de O2 y por lo tanto de aire necesario para que se produzca esta reacción que no es deseable vendrá determinada por la cantidad de SO2 que se tenga. Por lo tanto se necesitan 0’25Kg de O2 para que reaccionen con 1Kg de SO2 o
lo que es lo mismo 3174'0375'1741
32'22321250 ml
moll
gmolg ==×× de O2
El aire contiene un 20’95% en volumen de O2, luego 33
33 831'0
95'20100174'0 m
mmm =×
de aire son necesarios para que producir la reacción exotérmica completa de 1Kg de SO2 que se convierta a SO3 de acuerdo al ratio establecido.
Apéndice 1: Estequiometría
8
CONTENIDO DE NOX EN LA SALIDA DE GASES DEL HORNO ROTATIVO NO, NO2, gases venenosos, y N2O, gas de la risa, se crean entre otros en la llama y producen reacciones en presencia de oxígeno y entre sí. 1 mol N + 1/2 mol O2 1 mol NO Redondeando los números atómicos: 14 g N + 16 g O2 30 g NO Dividiendo por 14 y multiplicando por 1000 para dejar la reacción expresada en Kg de N: 1 kg N + 1’143 kg O2 2’143 Kg NO Por otro lado: 1 mol NO + 1/2 mol O2 1 mol NO2 Redondeando los números atómicos: 30 g NO + 16 g O2 46 g NO2 Dividiendo por 30 y multiplicando por 1000 para dejar la reacción expresada en Kg de NO: 1 kg NO + 0,533 Kg O2 1,533 kg NO2 A falta de confirmar bibliográficamente se trata de unas reacciones endotérmicas, es decir, necesitan Kcal/Kgck para producirse. En el balance térmico de la instalación se desprecia este calor. Los NOx se definen en base a la cantidad de NO2, esto es:
533'13046
2222 ×+=×+=×+= NONONONO
PmPm
NONONONO
NOx
Cabe destacar que en la mayoría de los procesos de combustión la cantidad de NO es del entorno al 95% respecto al 5% de NO2 en el total de NOx. En un proceso de combustión en la producción de clínquer el porcentaje de formación es inferior al 3% para el NO2.
Apéndice 1: Estequiometría
9
Existe una “ventana” de temperaturas para la creación de NOx en la llama.
Como medidas secundarias para la eliminación de los NOx la rdución por un sistema no catalítico selectivo es una de las opciones (SNCR, Selective Non Catalityc Reduction) que consiste en la inyección de un reactivo en la corriente gaseosa. Reactivo amoníaco (normalmente acuoso): 4NO + 4NH3 + O2 4N2 + 6H2O Temperatura: 930 - 980º C Reactivo urea: 4 NO + 2 CO(NH2)2 + O2 4N2 + 2CO2 + 4H2O 2NO2 + 2CO(NH2)2 + O2 3N2 + 2CO2 + 4H2O Temperatura: 950 - 1.050º C Otra posibilidad es el empleo de sistemas catalíticos (SCR, Selective Catalityc Reduction) donde la inyección se produce en mucha menor cantidad empleando como reactivo el amoníaco y catalizadores en base a Ti patentados. Reacciones principales con amoníaco: 4 NO + 4 NH3 4 N2 + 6H2O 6 NO + 8 NH3 7 N2 + 12H2O Temperaturas de trabajo: 160 - 400º C (con equipos distintos). Cabe destacar que existen reacciones posteriores a la formación de NO y NO2: 1 mol NO + 1 mol NO2 + 1 mol H2O 2 mol HNO2 (ácido nitroso) 2 mol NO2 + 1 mol H2O + 1/2 mol O2 2 mol HNO3 (vapor ácido nítrico)
Apéndice 1: Estequiometría
10
2. ESTEQUIOMETRÍA DE LA DESCARBONATACIÓN En el proceso de producción del clínquer la harina de crudo está compuesta por diversos minerales de entre los que destacan el carbonato cálcico o caliza y el carbonato magnésico. La harina de crudo introducida en el precalentador de ciclones por el efecto del calor descompone estos carbonatos. Es proceso de descomposición de la caliza se denomina comúnmente calcinación. Estas reacciones endotérmicas son las principales responsables de la emisión del CO2 emitido a la atmósfera en el proceso de producción del clínquer. Se estima que un 60% del CO2 está originado en estos procesos de descarbonatación siendo el 40% restante el producido en la estequiometría de la combustión. Las principales reacciones de descarbonatación son: CaCO3 CaO + CO2 MgCO3 MgO + CO2
Apéndice 1: Estequiometría
11
3. ESTEQUIOMETRÍA DE LA NEUTRALIZACIÓN En ocasiones en los precalentadores de ciclones se introduce hidróxido cálcico o cal apagada con el fin de neutralizar los gases ácidos. Este tratamiento se denomina tratamiento por vía seca y sus reacciones estequiométricas son: HCl: Ca(OH)2 + 2HCl CaCl2 + H2O CaCl2 + H2O CaCl2 + H2O HF: Ca(OH)2 + 2HF CaF2 + H2O SO2: Ca(OH)2 + SO2 CaSO3 + H2O CaSO3 + ½ H2O CaSO3 + ½ H2O CaSO3 + ½ O2 CaSO4
Apéndice 1: Estequiometría
12
4. CONSIDERACIONES A TENER EN CUENTA EN LOS CÁLCULOS REALIZADOS: 4.1. CALORES DE REACCIÓN Para la combustión de productos complejos, el conocimiento de la composición elemental, si bien permite la determinación de las cantidades de oxígeno necesarias para la combustión, no permite prejuzgar el desprendimiento calorífico. En efecto, el calor liberado por la combustión de un cuerpo oxidable no es igual a la suma de las cantidades de calor liberadas por la combustión de cada uno de los constituyentes elementales: interviene, igualmente, el calor de formación del cuerpo considerado. Teniendo en cuenta esta observación, se concibe que la determinación del calor desprendido por el conjunto de cuerpos muy diversos que existen en una muestra de combustible muy heterogéneo conduciría a cálculos extremadamente complejos. Dependiendo de la fuente bibliográfica consultada los calores de reacción varían sensiblemente debido a probablemente al variación de los métodos de ensayo realizados para obtener el valor. En el presente documento se han adoptado los calores de reacción del libro:
“Técnicas de higiene urbana. Recogida y tratamiento de basuras. Limpieza de las vías públicas.”
Instituto de Estudios de administración local. Madrid. 1977 Las otras fuentes bibliográficas consultadas son:
“Cement Data Book”. Volume 1. Internacional Process Engineering in the cement Industry.
3rd, revised and enlanged new edition Duda, Walter H. 1985 Bauverlag GmbH, Wiesbaden und Berlin A continuación designaremos a esta referencia como A.
“The cement plant operations handbook” International Cement Review 4th edition January 2005 Philip A Alsop, PhD Tradeship Publications Ltd A continuación designaremos a esta referencia como B
Apéndice 1: Estequiometría
13
Por lo tanto otros posibles calores de reacción son:
Reacción de combustión completa del C: 97’600 Kcal / mol (s/A) 94’000 Kcal / mol (s/B)
Primera reacción de combustión incompleta del C (producción de CO): 28’800 Kcal / mol (s/A) 26’500 Kcal / mol (s/B)
Segunda reacción de combustión incompleta del C (producción de CO2): 20’500 Kcal / mol (s/B) para 2 mol CO + 1 mol O2 2 mol CO2 Este valor es sensiblemente inferior (41/2 Kcal/mol) al empleado (67’64/2 Kcal/mol). De acuerdo a bibliografía complementaria consultada (Perry) no se trata de una reacción exotérmica reversible tal y como la refleja la bibliografía en que la que se basan los calores de reacción adoptados como válidos en el presente proyecto.
Reacción del hidrógeno: (s/A) 68’984 Kcal/mol si es agua condensada (poder calorífico superior, PCS) 57’282 Kcal/mol si es agua vapor (poder calorífico inferior, PCI) (s/B) 68’500 Kcal/mol si es agua condensada (poder calorífico superior, PCS) 58’000 Kcal/mol si es agua vapor (poder calorífico inferior, PCI) La reacción empleada es equivalente a 2 H2 + O2 2H2O
Reacción del azufre: Para esta reacción se ha empleado como válida el calor de reacción 70’720 Kcal/mol de la referencia bibliográfica A por carecer de dicha información en el resto de referencias.
Apéndice 1: Estequiometría
14
4.2. QUÍMICA ELEMENTAL
1 mol de elemento (sustancia) contiene en gramos la unidad de masa atómica uma (peso atómico molecular pam o Pm), determinado por el número atómico del elemento.
Ejemplo: 1 mol de C contiene 12’011 g, es decir, el C tiene 12’011 g/mol
El volumen que ocupa 1 mol de cualquier gas es de 22,4 litros. 1mol/22,4 litros
El aire natural seco tiene la siguiente composición:
[Fuente: “Introducción al estudio de la contaminación y su control”, Alfonso
Contreras López y Mariano Molero Meneses, UNED Madrid1995 (p61)]
Símbolo
En volumen
%
Contenido en el aire
g/m3
Nitrógeno N2 78,08 976,30
Oxígeno O2 20,94 299,00
Argón Ar 0,934 16,65
Anh.
Carbónico CO2 0,0315 0,62
Otros 0,145 0,23
100,000 1292,80
Componentes del Aire Seco (1,2928 Kg/m3, a 0 ºC 760 mm)
[Fuente: www.soler-palau.com]
Apéndice 2: Características dimensionales del modelo del horno
15
APÉNDICE 2. CARACTERÍSTICAS DIMENSIONALES DEL MODELO DEL HORNO El estudio de los procesos térmicos y de paso de material en el interior del horno rotativo son el punto central del presente proyecto. La patente del horno rotativo la introdujo Frederick Ransome a finales del silo XIX y ha sufrido distintas variaciones en su evolución relacionadas con el tipo de combustible empleado y la experiencia adquirida con respecto a la calidad del clinquer final obtenido. En la siguiente figura se pueden ver distintas configuraciones de horno rotativo: a) Horno recto. b) Horno con zona de quemado. c) Horno con zona de calcinación. d) Horno con zona de calcinación y quemado. e) Horno con zona de secado, calcinación y quemado (vía húmeda). f) Horno con zona de secado (vía húmeda), o precalentamiento (vía seca).
Un aumento en el diámetro provoca un aumento de tiempo de residencia del material, disminuyendo la velocidad del gas para conseguir una mejor transferencia de calor entre el gas y el material.
Apéndice 2: Características dimensionales del modelo del horno
16
Esta configuración provoca en las partes más estrechas abrasiones y formación de nubes de polvo que deterioran el refractario interior debido al aumento de velocidad. El objetivo de una parte final estrecha es conseguir un enfriamiento parcial del clínquer en detrimento del desgaste del refractario. Los hornos rectos son los más usuales en la actualidad debido a la experiencia acumulada desde la patente deRansome. A continución se muestras características dimenionales del horno empleado para realizar los diferentes cálculos del presente proyecto.
Apéndice 2: Características dimensionales del modelo del horno
17
A. CAPERUZA; B. HORNO ROTATIVO; C. CÁMARA DE HUMOS
Apéndice 3: Tiempo de residencia
18
APÉNDICE 3. TIEMPO DE RESIDENCIA Las partículas de combustible se queman tan rápidamente como se reemplacen los gases de combustión por aire fresco. Para llegar a un reemplazo adecuado se necesita una velocidad relativa alta entre el aire de combustión y las partículas del combustible. El proceso de combustión consiste básicamente en 2 fases: - Retirada de volátiles. - Combustión de los constituyentes sólidos. Gumz desarrolló estudios acerca del tiempo de combustión tamaños diferentes de partículas de combustible. Por otro lado la harina de crudo permanece en el horno durante un tiempo determinado. Los distintos tiempos de residencia afectan a los cambios físicos y químicos del material que ocurren durante su quemado en el horno. El operador de la planta cambia las revoluciones de giro del horno para dar más o menos tiempo de residencia en las distintas zonas. En zonas de menor sección en el horno la velocidad es mayor y el tiempo es menor a unas revoluciones fijas.
Apéndice 3: Tiempo de residencia
19
La “U.S. Bureau of Mines” establece la siguiente fórmula para el cálculo del tiempo de residencia de las partículas en un horno rotativo.
FnDp
Lt ×××××
=θ77'1
Siendo: t (min.): Tiempo de residencia del material en el interior de un horno rotativo. L (m): Longitud del horno rotativo. θ (º): Ángulo de reposo del material en condiciones secas. Nótese que: θ=40º para la harina de crudo θ=36º para la caliza y la arcilla p (º): Pendiente del horno rotativo. D (ft): Diámetro del horno rotativo. n (rpm): Velocidad de rotación del horno rotativo. F (adimensional): Factor de reducciones para horno rotativo. Se trata de un factor por los cambios de diámetro del horno rotativo, ya que las reducciones suponen un menor tiempo de residencia. F=1 si se trata de un horno rotativo recto. F= 2 si el horno rotativo no es recto.
Apéndice 3: Tiempo de residencia
20
La “U.S. Bureau of Mines” para un horno rotativo de cemento da la siguiente expresión que es la que hemos empleado en los cálculos que se muestran a continuación.
pDrLt×××
=2'11
Siendo: t (min.): Tiempo de residencia del material en el interior de un horno rotativo. L (m): Longitud del horno rotativo. D (m): Diámetro efectivo del horno rotativo. p (º): Pendiente del horno rotativo. Cabe destacar que la precisión de la estimación del tiempo de retención depende de las propiedades físicas del material. Descomposición en secciones del modelo dimensional del horno rotativo, excluidas caperuza y cámara de humos
Valor Unidad
Datos de partida Diámetro 1 4,000 m Longitud 1 57,860 m Diámetro 2 4,400 m Longitud 2 7,140 m Espesor de refractario 200,000 mm. Velocidad de rotación del horno 2,440 rpm Ángulo de inclinación del horno 2,000 º
Apéndice 3: Tiempo de residencia
21
Valor Unidad
Modelo dimensional Sección 1 Longitud 53,860 m Diámetro externo 4,000 m Diámetro interno o efectivo 3,600 m Espesor del refractario 200,000 mm. Sección 2 Longitud 3,000 m Diámetro externo 4,200 m Diámetro interno o efectivo 3,800 m Espesor del refractario 200,000 mm. Sección 3 Longitud 7,140 m Diámetro externo 4,400 m Diámetro interno o efectivo 4,000 m Espesor del refractario 200,000 mm. Sección 4 Longitud 1,000 m Diámetro externo 4,070 m Diámetro interno o efectivo 3,670 m Espesor del refractario 200,000 mm.
Final del horno Diámetro externo 3,740 m Diámetro interno o efectivo 3,340 m Espesor del refractario 200,000 mm.
Apéndice 3: Tiempo de residencia
22
Valor Unidad
Cálculo del tiempo de residencia Sección 1 L 53,860 m r 2,440 rpm D 3,600 m p 2,000 º t 34,337 min.
Sección 2 L 3,000 m r 2,440 rpm D 3,800 m p 2,000 º t 1,812 min. Sección 3 L 7,140 m r 2,440 rpm D 4,000 m p 2,000 º t 4,097 min.
Sección 4 L 1,000 m r 2,440 rpm D 3,670 m p 2,000 º t 0,625 min.
RESULTADO FINAL 41 min.
Por lo tanto el tiempo de residencia del material en el horno del presente proyecto es del 41 min.
Apéndice 4: Grado de llenado del horno
23
APÉNDICE 4: GRADO DE LLENADO DEL HORNO El volumen de carga del horno se puede expresar con la siguiente expresión.
te
a
SLTPR
C×
×××=
67'1(%)
Siendo: C (%): Carga del horno. Ra (Kg/Kgck): Ratio de alimentación de crudo en el horno. P (t/h): Producción de clínquer. T (h): Tiempo de residencia. L (m): Longitud del horno. Ste (m2): Sección transversal efectiva. La precisión de esta expresión depende de otros factores como el tiempo de retención o la densidad del material, que tienen cierta variabilidad durante el proceso de cocción del clínquer. En otro apéndice se ha realizado el cálculo del tiempo de retención del material en cada sección del horno rotativo del presente proyecto. Para los cálculos que se muestran a continuación han sido necesarias las siguientes relaciones trigonométricas:
Apéndice 4: Grado de llenado del horno
24
Valor Unidad
Datos de partida
Consumo de harina de crudo seca 107,400 t/h Producción de clínquer 1522,000 t/h
Sección 1 Longitud 53,860 m Diámetro interno o efectivo 3,600 m Tiempo de residencia 34,337 min. Área transversal efectiva 10,179 m2 Volumen efectivo 548,228 m3 Sección 2 Longitud 3,000 m Diámetro interno o efectivo 3,800 m Tiempo de residencia 1,812 min. Área transversal efectiva 11,341 m2 Volumen efectivo 34,023 m3
Sección 3 Longitud 7,140 m Diámetro interno o efectivo 4,000 m Tiempo de residencia 4,097 min. Área transversal efectiva 12,566 m2 Volumen efectivo 89,724 m3
Sección 4 Longitud 1,000 m Diámetro interno o efectivo 3,670 m Tiempo de residencia 0,625 min. Área transversal efectiva 10,578 m2 Volumen efectivo 10,578 m3
Apéndice 4: Grado de llenado del horno
25
Valor Unidad
Cálculo del grado de llenado del horno y lecho de material resultante
Sección 1 Llenado 4,493 % Volumen ocupado por material 24,634 m3 Ángulo de segmento circular 70,026 º Volumen ocupado por material 24,634 m3 Segmento transversal 3,383 m Superficie de material en contacto con llama 182,232 m2 Superficie interior de refractario en sección ocupada por material b*L 118,488 m2
Sección 2 Llenado 3,821 % Volumen ocupado por material 1,300 m3 Ángulo de segmento circular 66,163 º Volumen ocupado por material 1,300 m3 Segmento transversal 3,476 m Superficie de material en contacto con llama 10,428 m2 Superficie interior de refractario en sección ocupada por material b*L 6,582 m2 Sección 3 Llenado 3,276 % Volumen ocupado por material 2,939 m3 Ángulo de segmento circular 62,715 º Volumen ocupado por material 2,939 m3 Segmento transversal 3,555 m Superficie de material en contacto con llama 25,382 m2 Superficie interior de refractario en sección ocupada por material b*L 15,631 m2
Sección 4 Llenado 4,241 % Volumen ocupado por material 0,449 m3 Ángulo de segmento circular 68,620 º Volumen ocupado por material 0,449 m3 Segmento transversal 3,417 m Superficie de material en contacto con llama 3,417 m2 Superficie interior de refractario en sección ocupada por material b*L 2,198 m2
RESULTADO FINAL 15,831 %
Por lo tanto el grado de llenado del horno del presente proyecto es del 15,8%.
Apéndice 5: Conceptos generales de transmisión de calor
26
APÉNDICE 5. CONCEPTOS GENERALES DE TRANSMISIÓN DE CALOR Debido a la diferencia de temperatura entre dos puntos fluye calor del de mayor temperatura al de menor. Se distinguen los siguientes mecanismos de transmisión de calor:
Conducción. Convección. Radiación.
Apéndice 5: Conceptos generales de transmisión de calor
27
CONDUCCIÓN Es la transmisión de calor a través de un cuerpo debido a la diferencia de temperatura entre sus paredes. Hay que puntualizar que el mecanismo de transmisión de calor por conducción no es un fenómeno aislado ya que generalmente se encuentra combinado con los otros dos mecanismos de transmisión. Microscópicamente es el resultado de la transferencia de energía de una molécula a la siguiente. En fluidos aparece como resultado de la transferencia de energía cinética. Puede también crearse por el movimiento de electrones libres.
ett
Ak pp 21 −××=φ
[Fuente: Manual de formulas técnicas (O10)] φ : Flujo de calor en W k : Conductividad térmica en W/m K Existen valores obtenidos experimentalmente tabulados para distintas sustancias a una temperatura determinada. A : Área en m2 En el caso de paredes de tubos es el área media logarítmica:
LdAA mm ××== π siendo
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=
i
e
iem
dd
ddd
ln
1pt y 2pt : Temperaturas en las pares externas en K
e : Espesor se la pared en m
Apéndice 5: Conceptos generales de transmisión de calor
28
CONVECCIÓN Esta transmisión consiste en el traspaso de calor de un fluido a una pared sólida o viceversa. Las moléculas, como elementos de masa, transportan la energía debido a su flujo. Si la corriente de fluido se forma por sí sola por la diferencia de densidades causadas por los gradientes de temperatura (como en el ascenso del aire en la atmósfera) se habla de convección libre, en tanto que si el flujo es forzado con un movimiento turbulento, la convección se denomina forzada.
pttA −××=αφ
[Fuente: Manual de formulas técnicas (O10)] φ : Flujo de calor en W α : Coeficiente de convección térmica en W/m2 K A : Área en m2 t y pt : Temperaturas de fluido y pared K
Apéndice 5: Conceptos generales de transmisión de calor
29
RADIACIÓN Este tipo de transmisión de calor no está ligado a la presencia de masa (por ejemplo, en la transmisión de calor radiante del Sol a la tierra a través del vacío). Todos los materiales radian energía térmica en forma de ondas electromagnéticas. Cuando la radiación contacta con una superficie puede reflejarse, transmitirse o absorberse. La fracción de energía absorbida se manifiesta en calor. Los factores que intervienen en esta transferencia de calor son temperaturas, emisividad y geometría de la llama y sus alrededores.
( )ker44
clínllama ttA −×××= ετφ Según el la bibliografía consultada (libro “Técnicas de higiene urbana”) el último término es (T/100)4 con T en K del cuerpo emisor φ : Flujo de calor en W τ : Coeficiente de radiación que incluye la constante física de Stefan Boltzman o constante de radiación del cuerpo negro σ igual a 5,67 x 10-8 W/m2 K4. ε : Emisividad o brillo Es un factor de absorción inferior a la unidad. Es variable a lo largo de la longitud de la llama y es la característica más observable entre las llamas de diferentes combustibles (valores aproximados para gas natural 0’30, fuel oil 0’50, carbón 0’85 y coque de petróleo 0.87). A : Área en m2
llamat y kerclínt : Temperaturas en K
Apéndice 5: Conceptos generales de transmisión de calor
30
COEFICIENTES DE CONVECCIÓN Y RADIACIÓN
[Fuente: Manual de formulas técnicas (O12)]
Apéndice 5: Conceptos generales de transmisión de calor
31
[Fuente: Manual de formulas técnicas (O11)]
Existen valores obtenidos experimentalmente tabulados para distintas sustancias a una temperatura determinada C1 y C2 y β.
Apéndice 6: Radiación
32
APÉNDICE 6: RADIACIÓN A continuación se presentan los cálculos aproximados relativos a la radiación de la llama producida por el combustible al aire de combustión introducido en el horno rotativo del presente proyecto. Para llegar a los resultados obtenidos ha sido necesario el cálculo de la temperatura de la llama y su longitud que se incluyen en otros apéndices. Se han realizado diferentes cálculos de acuerdo a la bibliografía consultada con el fin de compararlos y extraer conclusiones aplicables al balance térmico de la instalación.
Apéndice 6: Radiación
33
Valor Unidad Valor Unidad
Datos de partida
Producción de clínquer 63,417 t/h Temperatura de llama 2053,454 º C 2326,604 K Temperatura de formación del clínquer requerida 1435,431 º C 1708,581 K Temperatura de aire primario, secundario y falso 11,000 º C 284,150 K Longitud de llama en combustión incompleta 11,801 M Emisividad del combustible 0,870 adimensional
Área lateral de cono truncado formado por la llama 58,577 M2 Diámetro menor (diámetro de quemador) 0,343 M Diámetro mayor (diámetro horno-1200mm) 2,800 M Altura de cono (longitud de llama) 11,801 M Longitud de generatriz 11,865 M Área lateral del aire calentado por radiación 58,577 M2 Cálculo de la transmisión por radiación A. Radiación de la llama al aire primario, secundario y falso 60,726 MW 5,221E+07 Kcal/h Coeficiente de radiación entre superficies envolventes 507,569 W/m2K Constate de radiación de llama 5,300E-08 W/m2K4 Constante de radiación de aire 3,700E-08 W/m2K4 Constante de radiación de Stefan Boltzman 5,670E-08 W/m2K4 Factor de temperatura 1,434E+10 K3 Factor aproximado de constantes de radiación de superficies envolventes 3,539E-08 W/m2K4 823,359 Kcal/Kgck B. Radiación de la llama al aire primario, secundario y falso 84,649 MW 7,278E+07 Kcal/h 1147,724 Kcal/Kgck 4805,291 KJ / Kgck
C. Radiación de la llama al aire primario, secundario y falso 85,61717634 MW 7,362E+07 Kcal/h 1160,854 Kcal/Kgck 4860,265 KJ / Kgck
( )ttA llama −××=τφ4
100⎟⎠⎞
⎜⎝⎛×××= llamatAετφ
Apéndice 7: Convección
34
APÉNDICE 7. CONVECCIÓN La convección contribuye relativamente poco en la transferencia de calor de las temperaturas de llama pero tiene una importancia considerable en el precalentamiento del crudo y el enfriamiento del clínquer. Mostramos a continuación la convección del aire al clínquer y a las paredes del horno.
Apéndice 7: Convección
35
Valor Unidad Valor Unidad
Datos de partida
Grado de llenado del horno 15,831 % Volumen del horno 682,554 m3 Superficie de material en contacto con llama 221,460 m2 Sección 1 Longitud 53,860 m Diámetro interno o efectivo 3,600 m Espesor del refractario 200,000 mm. D/L 0,067 adimensional Superficie interior de refractario en sección 609,142 m2 Superficie interior de refractario en sección ocupada por material 118,488 m2 Sección 2 Longitud 3,000 m Diámetro interno o efectivo 3,800 m Espesor del refractario 200,000 mm. D/L 1,267 adimensional Superficie interior de refractario en sección 35,814 m2 Superficie interior de refractario en sección ocupada por material 6,582 m2 Sección 3 Longitud 7,140 m Diámetro interno o efectivo 4,000 m Espesor del refractario 200,000 mm. D/L 0,560 adimensional Superficie interior de refractario en sección 89,724 m2 Superficie interior de refractario en sección ocupada por material 15,631 m2
Sección 4 Longitud 1,000 m Diámetro interno o efectivo 3,670 m Espesor del refractario 200,000 mm. D/L 3,670 adimensional Superficie interior de refractario en sección 11,530 m2 Superficie interior de refractario en sección ocupada por material 2,198 m2
Superficie interior total de refractario en horno 746,210 m2 Superficie interior de refractario en horno ocupada por material 142,898 m2 Superficie interior total en horno libre de material 603,312 m2
Longitud del horno 65,000 m Diámetro del horno 4,000 m Espesor de refractario 0,300 m Producción de clínquer 63,417 t/h Temperatura clínquer antes del calentamiento 450,000 º C 723,150 K Temperatura de pared antes del calentamiento 200,000 º C 473,150 K Temperatura de formación de clínquer requerida 1435,431 º C 1708,581 K Temperatura de llama (aire de convección) 2053,454 º C 2326,604 K
Apéndice 7: Convección
36
Valor Unidad Valor Unidad
Cálculo de la transmisión por convección 2,144 MW 1843525,154 Kcal/h
Sección 1 29,668 MW 25509918,497 Kcal/h Sección 2 43,074 MW 37037161,090 Kcal/h Sección 3 29,451 MW 25323109,907 Kcal/h Sección 4 159,523 MW 137164769,511 Kcal/h
"Nu" 2409,996 adimensional Sección 1 2411,386 Sección 2 3695,527 Sección 3 2659,697 Sección 4 13217,939
Número de Reynolds 200000,000 adimensional Sección 1 Sección 2 Sección 3 Sección 4
Número de Prandtl 250,000 adimensional Velocidad de gases en el horno 10,100 m/s Diámetro interior 3,400 m Densidad Kg/m3 Viscosidad dinámica a la temperatura media del fluido Kg/ms Viscosidad cinemática m2/s Calor específico a presión constante KJ/KgK Rugosidad absoluta M Viscosidad dinámica a la temperatura de la pared Ratio de viscosidades dinámicas (fluido/pared)^0,14 1,000 adimensional Coeficiente de convección 15,665 W/m2K Sección 1 535,863 Sección 2 778,006 Sección 3 531,939 Sección 4 2881,295 Coeficiente de conducción del refractario 0,800 W/mK Conductividad térmica del fluido (aire de convección) 0,022 W/mK Coeficiente de conducción del clínquer 0,500 W/mK
RESULTADO FINAL 29,070 Kcal/Kgck Sección 1 402,259 Kcal/Kgck Sección 2 584,029 Kcal/Kgck Sección 3 399,313 Kcal/Kgck Sección 4 2162,914 Kcal/Kgck
pttA −××=αφ
Apéndice 8: Caudal de gases de combustión
37
APÉNDICE 8: CAUDAL DE GASES DE COMBUSTIÓN Analizaremos aquí distintas formas de calcular el caudal de gases de combustión. DATOS DE PLANTA REAL El caudal de aire introducido en el horno para que se produzca la combustión es: Valor Unidad Valor Unidad Caudal de aire húmedo primario 2490,000 Nm3/h 0,0393 Nm3/h Caudal de aire húmedo secundario 54700,000 Nm3/h 0,8625 Nm3/h Caudal de aire húmedo de transporte de combustible 1998,000 Nm3/h 0,032 Nm3/h Caudal de aire húmedo falso de entrada 42,994 Nm3/h 0,001 Nm3/h Caudal de aire húmedo total 59231,000 Nm3/h 0,934 Nm3/h Humedad del aire 1,199 % en volumen Caudal de aire seco primario 2460,152 Nm3/h 0,0388 Nm3/h Caudal de aire seco secundario 54044,313 Nm3/h 0,8522 Nm3/h Caudal de aire seco de transporte de combustible 1974,050 Nm3/h 0,031 Nm3/h Caudal de aire seco falso de entrada 42,485 Nm3/h 0,0007 Nm3/h Caudal de aire seco total 58521,000 Nm3/h 0,923 Nm3/h Caudal de aire seco total mínimo 50327,000 Nm3/h 0,794 Nm3/h Factor de aire en exceso 1,163 adimensional
Apéndice 8: Caudal de gases de combustión
38
FÓRMULAS DE ROSIN - FEHLING Y VÉRON Existen fórmulas aproximadas establecidas estadísticamente relativas al caudal de gases y aire en la combustión completa de sólidos.
ROSIN Y FEHLING
65'11000
)(89'0)(
3
+×=KgmthPCI
KgNmVg
5'01000
)(01'1)(
3
+×=KgmthPCI
KgNmVa
VÉRON
850
)()(
3 KgmthPCI
KgNmVg =
1000
)()(
3 KgmthPCI
KgNmVa =
Siendo: Vg (Nm3 / Kg): Volumen de gases producidos en la combustión completa de un Kg de combustible. Va (Nm3 / Kg): Volumen de aire teórico para la combustión completa de un Kg de combustible. P.C.I. (mth / Kg): Poder calorífico inferior del combustible. Nótese que mth (militermia); 1thermia=1000Kcal, luego 1mth=1Kcal
Apéndice 8: Caudal de gases de combustión
39
Calculamos el caudal de gases en la situación de referencia con P.C.I.=7.961 Kcal / Kg en base seca. La cantidad de combustible empleado en el quemador del horno es de 5’905 t/h en base seca (6,68 t/h en total). - Según Rosin y Fehling Vg = 8’735 Nm3/Kg Luego 51.580’175 Nm3/h sería el caudal de gases de combustión en base seca. Existe una desviación respecto al valor real de planta del 2,6% por exceso. Va = 8’541 Nm3/Kg Luego 50.434’605 Nm3/h sería el caudal de aire de teórico en base seca. Existe una desviación respecto al valor real de planta del 0,39% por exceso. - Según Véron Vg = 9’366 Nm3/kg Luego 55.306’23 Nm3/h sería el caudal de gases de combustión en base seca. Existe una desviación respecto al valor real de planta del 9,17% por exceso. Va = 7’961 Nm3/Kg Luego 47.009’705 Nm3/h sería el caudal de aire de teórico en base seca. Existe una desviación respecto al valor real de planta del 6,42% por defecto. Aplicando a los caudales calculados anteriormente el factor de aire en exceso de 1,163 y añadiendo la humedad de 1,199 % en volumen se tendría el caudal en base húmeda. Podemos decir que la fórmula del volumen de aire teórico para la combustión completa de un Kg de combustible de Rosin y Fehling es la que mejor se ajusta a la instalación del presente proyecto.
Apéndice 8: Caudal de gases de combustión
40
Calculamos el caudal de gases en la situación con biomasa con P.C.I.= 3.700 Kcal / Kg en base seca. Si consideramos que la cantidad de combustible de biomasa empleado en el quemador del horno es de 1,437 t/h en base seca (10% de sustitución de calor de entrada) y de 5,237 (6,012-0,775) t/h en base seca de coque de petróleo en base seca y con un P.C.I. = 7.961 Kcal / Kg en base seca. - Según Rosin y Fehling Vg coque de petróleo = 8’735 Nm3/Kg que son 45.745’195 Nm3/h Vg biomasa = 4’943 Nm3/Kg que son 7.103’091 Nm3/h Luego 52.848’286 Nm3/h sería el caudal de gases de combustión en base seca. Existe una desviación respecto al valor real de planta del 4,94% por exceso. Va coque de petróleo =8’541 Nm3/Kg que son 44.729’217 Nm3/h Va biomasa = 4’237 Nm3/Kg que son 6.088’569 Nm3/h Luego 50.817’786 Nm3/h sería el caudal de aire de teórico en base seca. Existe una desviación respecto al valor real de planta del 1,14% por exceso. - Según Véron Vg coque de petróleo = 9’366 Nm3/Kg que son 49.049’742 Nm3/h Vg biomasa = 4’353 Nm3/Kg que son 6.255’261 Nm3/h Luego 55.305’003 Nm3/h sería el caudal de gases de combustión en base seca. Existe una desviación respecto al valor real de planta del 9,16% por exceso. Va coque de petróleo = 7’961 Nm3/Kg que son 41.691’757 Nm3/h Va biomasa = 3’700 Nm3/Kg que son 5.316’900 Nm3/h Luego 47.008’657 Nm3/h sería el caudal de aire de teórico en base seca. Existe una desviación respecto al valor real de planta del 6,43% por defecto. Aplicando a los caudales calculados anteriormente el factor de aire en exceso de 1,163 y añadiendo la humedad de 1,199 % en volumen se tendría el caudal en base húmeda. Podemos decir que la fórmula del volumen de aire teórico para la combustión completa de un Kg de combustible de Rosin y Fehling es la que mejor se ajusta a la instalación del presente proyecto como en el caso en el que únicamente se emplea coque de petróleo.
Apéndice 8: Caudal de gases de combustión
41
Adicionalmente estos resultados nos permiten decidir que en el balance térmico de la instalación en la situación con biomasa la variación de caudal que supone la introducción de biomasa no es representativa y a efectos prácticos se empleará el mismo caudal de aire que en la situación con coque de petróleo REACCIONES DE COMBUSTIÓN Considerando el oxígeno necesario para la combustión indicado en las reacciones estequiométricas en el correspondiente apéndice y sabiendo la composición del aire podemos determinar el volumen total de aire introducido necesario para la combustión. Implícitos en los cálculos de las emisiones en el proyecto en el capítulo 3 se presenta el caudal de aire introducido en el horno de acuerdo a las reacciones que se producen en el interior del horno. Los resultados son: - Caudal teórico de aire atmosférico seco para la combustión incompleta 50.145,0298 Nm3aire/h - Caudal teórico de aire atmosférico seco para la combustión completa 50.251,06779 Nm3aire/h De acuerdo a los datos de planta reales el caudal de aire seco mínimo necesario para la combustión en el horno es de 50.327 Nm3aire/h y el caudal de aire seco realmente introducido en el horno es de 58.521 Nm3aire/h lo que supone un exceso de aire para intentar reproducir una combustión completa con un factor de exceso de 1,163.
Apéndice 9: Temperatura de llama
42
APÉNDICE 9: TEMPERATURA DE LLAMA El combustible introducido a través del quemador principal produce la llama principal con unas temperaturas de llama alrededor de 2.000º C. Por razones de optimización del proceso, la llama tiene que ser ajustada dentro de ciertos límites. En los quemadores modernos, el tamaño de la llama se ajusta mediante la regulación de los aires primario (10-15% del total del aire de combustión) y secundario. Calculamos la temperatura de llama con la siguiente expresión:
pGteórica CV
PCIT×
=
Siendo T teórica (º C): Temperatura de llama teórica. P.C.I. (Kcal / Kg): Poder calorífico inferior. VG (Nm3 / Kg): Volumen de gases de combustión en condiciones normales (0º C, 760 mm.c.Hg.) por Kg de combustible. Cp (Kcal / Nm3 º C): Calor específico de gases de combustión a una presión concreta.
Apéndice 9: Temperatura de llama
43
Calculamos la temperatura de llama en la situación de referencia considerando como combustible el coque de petróleo con un P.C.I.= 7.961 Kcal/Kg en base seca. La cantidad de combustible empleado en el quemador del horno es de 5’905 t/h en base seca (6,68 t/h en total). A partir de los datos de planta real obtenemos un caudal de aire seco total de (véase el apéndice correspondiente). Suponiendo un Cp = 0,4 Kcal / Nm3 º C
Valor Unidad
Datos de partida P.C.I. de combustible 7961,000 Kcal/Kg Caudal de aire seco primario introducido en el horno 2460,152 Nm3/h Caudal de aire seco secundario introducido en el horno 54044,313 Nm3/h Caudal de aire seco de transporte de combustible al horno 1974,050 Nm3/h Caudal de aire seco falso de entrada introducido en el horno 42,485 Nm3/h Consumo en quemador del horno 5,905 t/h
Cálculo de la temperatura de llama Volumen específico de gases 9,910 Nm3/kg combustible Calor específico a presión constante 0,400 Kcal/Nm3 º C
RESULTADO FINAL 2008,241 ºC
La introducción de biomasa modifica estos resultados ya que los P.C.I. que se manejan son por un lado el P.C.I. del coque de petróleo (7.961 Kcal/Kg) y por otro el P.C.I. de la biomasa (3.700 Kcal/Kg). Para poder realizar un nuevo cálculo de la temperatura de llama sería necesario discriminar el caudal de aire seco que se asocia al coque de petróleo y el caudal de aire seco que se asocia a la biomasa e interpretar los resultados. Una alternativa sería la obtención de un P.C.I conjunto del coque de petróleo y biomasa y aplicar los mismos cálculos con un único P.C.I. En el proyecto se ha considerado que el caudal total de de aire seco introducido en la situación con coque de petróleo es la misma que en la situación con biomasa. El margen de variación de las emisiones y en concreto CO y CO2 será función del caudal de aire que se introduzca en virtud de la estequiometría de la combustión explicada en otro apéndice y por tanto la temperatura de llama será un fenómeno posterior a la combustión de los elementos individuales del combustible, en concreto el carbono C. En conclusión, para controlar la formación de emisiones hay que controlar el caudal de aire que se introduce para que se produzca la combustión y el contenido de carbono C del combustible, la temperatura de llama es un efecto secundario de estos dos parámetros.
Apéndice 10: Longitud de llama
44
APÉNDICE 10: LONGITUD DE LLAMA Cuando se incrementa el aire de combustión se requiere calentar el exceso de O2 y N del mismo lo cual provoca una pérdida de eficiencia ya que hay que calentarlo hasta la temperatura de ignición. Si se incrementa el aire de enfriamiento del clínquer se produce una reducción de la temperatura del aire secundario y por lo tanto de la temperatura de llama, lo cual necesita más combustible para alcanzar la temperatura requerida para el proceso. Por lo tanto controlar el exceso de aire tiene gran importancia en la eficiencia térmica del horno y en el consumo de combustible. Por el contrario si el exceso de aire se reduce hasta cierto punto se produce CO, provocando una combustión incompleta y necesitando más combustible. Cuanto mejor es la mezcla combustible-aire previa a la combustión menos efecto de combustión incompleta se produce. Puede calcularse experimentalmente que un margen entre 0’42% y un 1’47% de O2 en la salida de gases del horno no hay una pérdida considerable de calor en los gases de escape:
El exceso de aire también tiene influencia en la longitud de llama y la distribución de calor del horno. Se tiende a creer que aumentando el caudal del ventilador de tiro se aumenta la longitud de llama pero realmente está relacionado con cantidad de O2 en exceso de los gases de combustión. La siguiente gráfica obtenida experimentalmente muestra la correlación en una correcta mezcla de combustible-aire de horno. La ecuación de línea de tendencia asociada se muestra en la figura.
Apéndice 10: Longitud de llama
45
y = 35,784x-0,5403R^2 = 0,9577
0
10
20
30
40
50
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Exceso de O2 en % de gases de combustión
Long
itud
de ll
ama
m
Empleando la ecuación del gráfico con los caudales de la planta real del presente proyecto que prácticamente no difieren en los calculados en el correspondiente apéndice: Aire realmente introducido 58.521 Nm3aire/h Aire mínimo necesario 50.327 Nm3aire/h Exceso de aire introducido 8.194 Nm3aire/h que supone un 14% en volumen de exceso de aire. El oxígeno que corresponde a este exceso de aire es de (20,95x14)/(100) = 2’933% en volumen. Nótese que el aire tiene un 20,95% en volumen de oxígeno. Por lo tanto la longitud de llama resultante es de 20 m.
Apéndice 11: Exclusión de un by pass en el horno
46
APÉNDICE 11: EXCLUSIÓN DE UN BY PASS EN EL HORNO Si un exceso de álcalis (K2O, Na2O, S o Cl) se encuentran presentes en la alimentación al horno o en el combustible se vaporizarán en la zona de quemado y se condensarán en el precalentador, provocando un ciclo que produce pegaduras en el final del horno, conductos o ciclones del precalentador. El exceso de álcalis (K, Na) afecta a la operación del horno (pegaduras) y a la calidad del clínquer (reactividad de agregación de álcalis). La reactividad de agregación de álcalis ASR (“Alcali-Silica agregate Reactivity”) es un parámetro limitador en la calidad del cemento pero que se encuentra en la actualidad fuera del control del proceso de producción, sin embargo, investigaciones en moliendas intermedias empleando ciertas puzolanas y escorias están dando resultados satisfactorios en su reducción. Por otro lado el exceso de S produce pegaduras y limita la adición de yeso necesario para la fabricación de cemento. El ratio estequiométrico S/álcalis se mantiene normalmente entre 0,8 y 1,2. Finalmente el exceso de Cl causa graves problemas de pegaduras para la operación del precalentador. Normalmente las alimentaciones de material en el precalentador se realizan con válvulas que impiden la entrada de polvo cargado de volátiles en las etapas inferiores
[Fuente: A TEC]
Cuando no se puede evitar los componentes volátiles sin tener que recurrir a altas inversiones se suele emplear un dispositivo de bypass que extrae una parte de caudal de gases del horno en su final y se procede a su enfriamiento en una cámara especial con aire ambiente (2-3 veces el volumen extraído), agua de enfriamiento para descender a 150-200º C y posteriormente tratarlo en un filtro.
Apéndice 11: Exclusión de un by pass en el horno
47
[Fuente: A TEC]
Normalmente el bypass extrae 5-10% del caudal del horno para tratar el Cl y un 10-70% para otros volátiles. La localización del punto de extracción es crítico de tal manera que asegure la máxima extracción de álcalis con el mínimo volumen ya que de lo contrario se está produciendo una pérdida de calor importante de aproximadamente 5Kcal/Kgck x % bypaseado en hornos con precalentador y de 2Kcal/Kgck x % bypaseado en hornos con precalcinador. La pérdida de polvo potencial para la formación del clínquer que se produce por la extracción en el bypass es del orden del 2% Kgck por cada 10% de caudal de gases de horno que se han extraído por el by pass. Hay una gran cantidad de polvo extraído del by pass que puede resultar un problema. En la actualidad se investigan procesos de eliminación del Cl del polvo para poder retornarlo al proceso. La operación del bypass depende de las concentraciones de entrada, el balance estequiométrico entre álcalis y S, la volatilidad intrínseca, el tiempo de residencia y la especificación del cemento que se quiera producir. Hay sistemas de control que analizan el crudo caliente para reducir los efectos no deseados de los álcalis La circulación del Cl se limita a 5-10 g/Kgck dependiendo del grado de precalcinación. La suma de SO3 y Cl en el crudo caliente que entra en el horno debe ser menor al 4% del total introducido. Muchos cementos deben de cumplir la especificación Na2O + 0,658K2O < 0,6%, mientras que un exceso de SO3 en el clínquer inhibe la formación del C3S. Normalmente se esperan problemas si el total de álcalis o SO3 en la alimentación al horno exceden el 1% o el Cl excede un 0,015% respecto al total en peso alimentado o 0,025% respecto al total del peso de clínquer producido.
Apéndice 11: Exclusión de un by pass en el horno
48
Nótese que la eliminación natural de SO2 en el proceso es muy eficiente en los precalentadores de ciclones. El SO2 de la chimenea se origina generalmente de las piritas o S orgánicos en el crudo y no de los sulfatos (cenizas) o S del combustible. El análisis del SO3 en el clínquer cada 2 horas y cada 8 en las etapas inferiores del precalentador del ciclones para determinar LOL(“Loss of ignition”, pérdida al fuego), SO3, Cl y álcalis es usual en las plantas de producción de clínquer. Niveles normales de SO3 en el clínquer son el 0,6% y del 2-3% en el precalentador. En los hornos con precalcinador el tiempo de residencia y la carga de calor provocan valores bajos y los álcalis (K, Na) tienden a fijarse al clínquer haciendo que el S forme un ciclo de evaporación-condensación al final del horno por la ausencia de álcalis. Si la temperatura de llama es muy alta o incluso toca la carga del horno hace que este ciclo se incremente excesivamente hasta que se producen las pegaduras en los ciclones. Esto se detecta con un inusual cantidad baja de SO3 y de contenido de cal libre en el clínquer. Si se enfría el horno el S se libera del ciclo y se produce un clínquer con más SO3 que puede afectar a la molienda final. Nótese que la cal libre se puede estimar como: (CaO + 0,75 MgO) / (2,85 SiO2 + 1,18 Al2O3 + 0,65 Fe2O3), si el contenido de MgO es superior al 2% entonces se sustituye 0,75 MgO por 1,5. Para minimizar los ciclos de volátiles se deben evitar mezclas difíciles de quemar. El ratio S/álcali se debe mantener entre 0,8 y 1,2 y el Cl debe limitarse a no más del 1% y el SO3 al 3% en la harina de crudo caliente que entre al horno. El ciclo de volátiles (K, Na, S, Cl) en el horno sin considerar ciclos externos (por ejemplo el empleo de parte de polvo de by pass en la molienda) es el siguiente:
Si no hay bypass entonces e vuelve al horno. Los factores convencionales que definen la recirculación y sus valores usuales en hornos sin by pass son:
Apéndice 11: Exclusión de un by pass en el horno
49
Tipo de recirculación Factor K2O Na2O SO3 Cl Primera volatilización E1=b/d 0,67 0,53 0,55 0,99 Segunda volatilización E2=b/d 0,88 0,92 0,8 0,97 Válvula V=e/d 0,1 0,4 0,1/0,4 0,05 Circulación K=b/a 3,2 1,4 3,3/1,4 45,0 Residuo R=c/a
R=1 sin bypass La primera volatilización se aplica a la alimentación de la harina de crudo y la segunda al material recirculado. La volatilidad del SO3 incrementa con el exceso estequiométrico sobre los álcalis.. Los compuestos susceptibles de evaporación son
Compuesto Punto de fusión º C Punto de ebullición KCl 776 1500 NaCl 801 1413 CaCl2 772 K2SO4 1069 1689 Na2SO4 884 CaSO4 1450 K2CO3 891 Na2CO3 851 CaSO4 896
En lo que respecta al presente proyecto nos interesa justificar la no inclusión en el balance térmico un caudal de gases de by pass. De los datos que disponemos del control estadístico de la harina de crudo de la instalación extraemos los siguientes: Oxido de potasio K2O = 0,67% en peso Trioxido de azufe SO3 = 0,08% en peso La especificación Na2O + 0,658K2O < 0,6%, se cumple ya que 0,44%<0,6%, por lo tanto se considera que no es necesario un by pass. Adicionalmente el contenido de álcalis, en nuestro caso, K2O y de SO3 es inferior al 1% en la harina de crudo que se alimenta, aunque puede ser ligeramente superior en la entrada del horno. Por otro lado se establece la tendencia a pegaduras y posibilidad de formación de avalanchas en el horno como C3A + C4AF+0,2C2S + 2Fe2O3 (según “America clínquer reference data sheet”).
Apéndice 11: Exclusión de un by pass en el horno
50
Si es inferior a 28 la tendencia es baja y si es superior a 30 la tendencia a las avalanchas alta. En nuestro caso resulta ser de 23,12 con los siguientes datos: % en peso de C3A en clínquer 7,100 % en peso % en peso de C4AF en clínquer 8,700 % en peso % en peso de C2S en clínquer 18,700 % en peso % en peso de Fe2O3 en crudo 1,790 % en peso
Apéndice 12: Procesos de fabricación 51
- En el proceso seco, las materias primas son trituradas y secadas para formar el crudo o harina que tiene la forma de un polvo fluido. El crudo se alimenta a un horno con precalentador o con precalcinador, o más
raramente, directamente a un horno largo de vía seca.
[Fuente: B.A.T. FOR THE CEMENT INDUSTRY, DECEMBER 1999]
Apéndice 12: Procesos de fabricación 52
- En el proceso semiseco, la harina cruda seca se peletiza (granula) con agua y se alimenta a un precalentador de parrilla delante del horno o a un horno largo equipado con cadenas.
En los procesos por vía semiseca y semihúmeda el material de alimentación se consigue añadiendo o eliminando agua respectivamente, al material obtenido en la molienda de crudo.
Se obtienen "pellets" o gránulos con un 15-20 % de humedad que son depositados en parrillas móviles a través de las cuales se hacen circular gases calientes provenientes del horno. Cuando el material alcanza la
entrada del horno, el agua se ha evaporado y la cocción ha comenzado.
[Fuente: B.A.T. FOR THE CEMENT INDUSTRY, DECEMBER 1999]
Apéndice 12: Procesos de fabricación 53
- En el proceso semihúmedo, la pasta de crudo y agua, es escurrida en filtros prensa. Las tortas del filtro son extruídas en forma de gránulos que alimentan bien a un precalentador de parrilla, o bien directamente a un
secador de tortas de filtrado para la producción de crudo para posteriormente introducir en el horno.
[Fuente: B.A.T. FOR THE CEMENT INDUSTRY, DECEMBER 1999]
Apéndice 12: Procesos de fabricación 54
- En el proceso húmedo, las materias primas (a menudo con alto contenido de humedad) se muelen con agua para formar una pasta bombeable. La pasta es alimentada directamente al horno, o previamente se pasa por
un secador de pasta. El proceso por vía húmeda es utilizado normalmente para materias primas con alto contenido en humedad. El material de alimentación se prepara mediante molienda conjunta del mismo con agua,
resultando una pasta con contenido de agua de un 30-40 % que es alimentada en el extremo más elevado del horno de clínquer.
[Fuente: B.A.T. FOR THE CEMENT INDUSTRY, DECEMBER 1999]