ESTUDIO ECONÓMICO AMBIENTAL DE LA REDUCCIÓN DE … · Eddystone en la costa de Cornish, se...

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


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".


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.

.


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.


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.


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.


7

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.


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.


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).


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.


11

[Fuente: Oficemen]


12

[Fuente: Oficemen]


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


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.


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.


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.


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


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.


3

[Fuente: B.A.T. FOR THE CEMENT INDUSTRY]


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


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]


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.


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.


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.


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.


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).


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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].


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]


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)


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].


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.



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].


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.


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.


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.


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).


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].


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.


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


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]


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.


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).


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)


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.


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


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.


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


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.


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.


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.


41

Precalentador de suspensión con precalcinador


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).


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.


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


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%).


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.


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):


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.


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]


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.


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.


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.


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


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.


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.


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.


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


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


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.


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


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.


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


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


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.


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.


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.


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.


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.


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:


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.


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.


69

Cuadro A


70

Cuadro B


71

Cuadro C


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.


73


74


75


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.


77


78


79


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.


81


82


83


84

RESUMEN

Un resumen de las tep potenciales que se pueden obtener en escenarios estudiados a

nivel de comarca figura en el siguiente cuadro


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.


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.


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.


88

ESCENARIO I

ESCENARIO II


89

ESCENARIO III

ESCENARIO IV


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


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


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.


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.


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.


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.


5

3.1.2. DIAGRAMA DE PROCESO GENERAL DE LA PLANTA CEMENTERA EN ESTUDIO

[Fuente: Planta real]


6

3.1.3. DIAGRAMA DE PROCESO OBJETO DEL PROYECTO


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.


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.


8

[Fuente: Guía de Mejores Técnicas Disponibles en España de fabricación de cemento]


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.


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


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.


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.



13

MATERIA PRIMA Y CENIZA DE COMBUSTIBLE.


Cabe destacar que CaO (MgO) puede encontrarse en la materia prima o puede ser

producto de la reacción de CaCO3 (MgCO3).

FASES DEL CLÍNKER.



14

CONSTITUYENTES DEL COMBUSTIBLE


CONSTITUYENTES DE LOS GASES


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”]


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


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.


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.


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.


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


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


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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:


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


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



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.


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].


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


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


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


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.


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].


34



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


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.


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.


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



39

El control estadístico tras el análisis químico arroja los siguientes valores.



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


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.


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



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.



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.


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.


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.


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.


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.


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.



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.



- 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.


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.



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.


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.


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.


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



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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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)


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]


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:


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.


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


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.


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.


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.


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).


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.


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.


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


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.


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


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.


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,


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.


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


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


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.


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


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


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


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


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.


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


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


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


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


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


*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


Estudio económico del empleo de biomasa

1

4ESTUDIO 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.


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.


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.


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.


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.


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


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.


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


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.


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.


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


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]


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)


de CO2 nominal)


de CO2 mínimo)

- Escenario 4 (Ahorro total por empleo de biomasa a precio máximo con precio por no emisión

de CO2 máximo)


de CO2 nominal)


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.


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


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


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


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.


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.


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.


5


6


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.

Bibliografía

1

BIBLIOGRAFÍA

Bibliografía

2

[CEMB99]

Cembureau, European Cement Association

“Best available techniques for the cement industry”

1999

[IPPC00]

Integrated Pollution Prevention and Control

“Reference Document on Best Available Techniques in the Cement and Lime

Manufacturing Industries”

2000

[GENE04]

Generalitat de Catalunya

“Les Millors Tècniques Disponibles Aplicables a la Indústria del Ciment”

2004

[CANA04]

Canales Canales C., Ministerio de Medio Ambiente

“Guía de Mejores técnicas disponibles en España de fabricación de cemento”

2004

[ALON06]

Instituto de Investigación Tecnológica de la UPCo, informes 3.1., 3.2., 3.3. y 3.7. de

Ramón Alonso, Arturo Serrano y Pedro Linares e informe sobre sistemas de transporte

y almacenamiento de Pedro Sánchez

“Estudio técnico económico sobre la creación de centros logísticos de biomasa en la

Comunidad de Madrid”

2006

[ENER05]

Energie, Comisión Europea

“Empleo de residuos como combustibles alternativos en la industria del cemento”

2005

Bibliografía

3

[LOCH05]

Locher G, Cemento hormigón, 871, 872, 873, 874 y 875

“Modelos matemáticos del proceso de cocción del clínker de cemento”

2005

[CONT95]

Contreras López A. y Molero Menes M., UNED

“Introducción al estudio de la contaminación y su control”

1995

[IEAL77]

Instituto de Estudios de administración local

”Técnicas de higiene urbana. Recogida y tratamiento de basuras. Limpieza de las vías

públicas”

1977

[DUDA85]

Duda W.H.

“The cement plant data book”

1985

[ALSO05]

Alsop, P.A.

“The cement plant operations handbook”

2005

[GIEK95]

Giek K.

“Manual de fórmulas técnicas”

1995

Bibliografía

4

[FERN01]

Fernando, R.

“The use of petroleum coke in coal-fired plant”

2001

[TREV06]

Treviño Coca M., Club Español de la Energía

“Tecnología de GICC”

2006.

Apéndices

1

APÉNDICES


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.


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.


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


33 900'1

95'20100398'0 m

mmm =×

de aire son necesarios para que producir la reacción exotérmica completa de 1Kg de C.


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


3

33 635'26

95'20100580'5 m


reacción exotérmica completa de 1Kg de H2.


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


3

33 332'3

95'20100698'0 m


reacción exotérmica completa de 1Kg de S.


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


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.


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.


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)


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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


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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


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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


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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.


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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]


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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.


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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.


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A. CAPERUZA; B. HORNO ROTATIVO; C. CÁMARA DE HUMOS


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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.


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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.


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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


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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.


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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.


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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:


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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


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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%.


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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.


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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


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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


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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


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COEFICIENTES DE CONVECCIÓN Y RADIACIÓN

[Fuente: Manual de formulas técnicas (O12)]


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[Fuente: Manual de formulas técnicas (O11)]

Existen valores obtenidos experimentalmente tabulados para distintas sustancias a una temperatura determinada C1 y C2 y β.


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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.


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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


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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.


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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


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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


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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


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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


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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.


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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.


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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.


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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.


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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.


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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.


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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

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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.


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.


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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:


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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”).


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]


- 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.



- 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.



- 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.


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