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Proceso de fabricacin del Cemento Portland
Los cementos portland son cementos hidrulicos compuestos
principalmente
de silicatos de calcio. Los cementos hidrulicos fraguan y
endurecen al
reaccionar qumicamente con el agua. Durante esta reaccin,
llamada
hidratacin, el cemento se combina con agua para formar una
pasta
endurecida de aspecto similar a una roca.
Los componentes bsicos para la fabricacin del cemento portland
son el xido
de calcio, xido de slice, almina y el xido de hierro.
La materia prima necesaria para tener las cantidades correctas
de los
componentes bsicos es una mezcla de materiales calcreos (piedra
caliza) y
arcillosos.
Explotacin de Canteras y Trituracin
El primer paso, entonces, para la fabricacin del cemento
portland es buscar
depsitos de roca para asegure tengan las caractersticas
necesarias para
obtener un cemento de calidad.
La cal es el componente que se encuentra en mayor cantidad en el
clnker del
cemento Prtland y su origen se debe a la descomposicin del
carbonato de
calcio por medio del calor.
Como se dijo anteriormente, se usa una variedad de elementos
como materia
prima, los cuales se pueden clasificar segn su contenido de
carbonatos de
calcio de la siguiente manera:
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Calizas:Portadoras en abundancia de carbonato de calcio (75 -
100%)
Margas: Su contenido de carbonato de calcio es de 40 - 75% y
van
acompaadas de slice y productos arcillosos.
Arcillas: Principalmente contienen slice combinada con almina y
otroscomponentes como xidos de hierro, sodio y potasio
Generalmente los materiales crudos enunciados no cumplen por
completo los
requerimientos qumicos del cemento portland, por este motivo se
utilizan los
denominados "correctores" que proporcionan los elementos
minoritarios
faltantes.
Nuestras canteras suelen requerir un "corrector" de hierro, tal
como la hematita
o la magnetita.
Calcinacin
La siguiente etapa es la coccin de la materia prima. En el mtodo
de va seca,
la harina almacenada en los silos de homogenizacin se lleva a
una torre de
precalentamiento, que tiene una temperatura entre 900 y 1,000 C.
El calor
proviene de gases producidos por la combustin del combustible
del horno, el
cual puede ser carbn, gas o aceites combustibles. El objetivo
del
precalentamiento es el de ahorrar energa, ya que se aprovecha el
calor
emanado por los hornos. En el mtodo de va hmeda no se
precalienta la
pasta, sino que sta es transportada por bombas centrfugas a los
hornos.
En ambos casos se lleva el material a un horno, el cual es un
largo cilindro deacero revestido interiormente con ladrillos
refractarios, y que gira alrededor de
su eje longitudinal, con una pequea pendiente descendente.
La velocidad de rotacin vara de 0 a 150 revoluciones por hora, y
a travs de
ese movimiento el material sigue sus reacciones qumicas para
formar los
compuestos del clnker.
En el horno se distinguen las siguientes etapas, las cuales son:
secado,
calcinacin, clnkerizacin y enfriamiento.
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El secado:
Se da en el material proveniente del mtodo de va hmeda.
Calcinacin:
En esta zona de calcinacin los carbonatos de calcio y de
magnesio se
disocian en xido de calcio y magnesio respectivamente.
Clnkerizacin:
En la etapa de clnkerizacin es donde se producen las reacciones
qumicas
ms complejas del proceso, transformndose la materia prima en un
nuevo
material llamado clnker, que tiene la forma de pelotillas
verde-grisceas de
unos 12 mm de dimetro.
OPERACIONES UNITARIAS DEL PROCESO
Trituracin
Los conjuntos de trituracin son plantas procesadoras de
minerales que
reciben el producto de la explotacin minera, rocas de cualquier
mineral, y lo
reducen hasta tamaos en los cuales, una vez clasificado, el
mineral se puede
someter a un siguiente proceso o se puede emplear en la
aplicacin
seleccionada. El esquema de un conjunto de trituracin contempla
4 tipos de
mquina bsicos, los alimentadores, las bandas, las clasificadoras
y las
trituradoras, cada uno de estas tiene variantes que se han
diseado para
satisfacer condiciones especficas. (Operaciones fsicas
complementarias)
Molienda
Las partculas se reducen de tamao por una combinacin de impacto
y
abrasin ya sea en seco o como una suspensin en agua pulpa. La
molienda
se realiza en molinos que giran alrededor de su eje horizontal y
que contienen
una carga de cuerpos sueltos de molienda conocidos como "medios
de
molienda", los cuales estn libres para moverse a medida que el
molino gira
produciendo la conminucin de las partculas. (Operaciones
fsicas
complementarias)
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Tamizado
El cribado es un proceso mecnico que separa los materiales de
acuerdo a su
tamao de partcula individual. Esto se cumple proporcionando un
movimientoen particular al medio de cribado, el cual es
generalmente una malla o una
placa perforada, esto provoca que las partculas ms pequeas y que
el
tamao de las aberturas (del medio de cribado) pasen a travs de
ellas como
finos y que las partculas ms grandes sean acarreadas como
residuos.
El Cribado o tamizado tambin se define como una operacin bsica
galnica,
que tiene por objeto separar las distintas fracciones de una
mezcla pulverulenta
o granulado en funcin de su tamao. (Operaciones
fsicascomplementarias)
Bombas
Un equipo de bombeo es un transformador de energa, mecnica que
puede
proceder de un motor elctrico, trmico, etc. Y la convierte en
energa, que un
fluido adquiere en forma de presin, de posicin y de velocidad.
As se tendrn
bombas que funcionen para cambiar la posicin de un cierto
fluido. Por ejemplo
la bomba de pozo profundo, que adiciona energa para que el agua
delsubsuelo se eleve a la superficie. (Circulacin de Fluidos)
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DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE PRODUCCIN DEL CEMENTO
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BALANCE DE ENERGA Y COGENERACIN EN PLANTA DE CEMENTO
La industria del cemento es una industria intensiva en consumo
de energa
alrededor de 4 GJ por tonelada de cemento producida. Un
anlisis
termodinmico de cogeneracin que utilice el calor de los flujos
de residuos no
est fcilmente disponible. Los datos de un trabajo 1 Mt por
planta al ao en laIndia se utiliza para obtener un balance de
energa para el sistema y se dibuja
un diagrama de Sankey. Se ha encontrado que alrededor del 35% de
la
energa de entrada se est perdiendo con el calor los flujos de
residuos. Un
ciclo de vapor se selecciona para recuperar el calor de los
arroyos con una
recuperacin del calor residual del generador de vapor y se
estima que
alrededor de 4,4 MW de electricidad puede ser generada. Esto
representa
alrededor del 30% de las necesidades de electricidad de la
planta y una mejora
del 10% en la eficiencia de energa primaria de la planta. El
periodo de
recuperacin para el sistema se encuentra a un plazo de dos
aos.
1. Introduccin
La industria del cemento es una industria intensiva en energa.
En India, laindustria representa el 10,3% del consumo total de
combustible en el sector defabricacin. Los costos de energa
representan aproximadamente el 26% delcoste de fabricacin de
cemento. En trminos del consumo de energa primariade alrededor del
25% de la energa de entrada es la electricidad mientras queel 75%
es energa trmica. El consumo especfico de energa vara de cerca
de3,40 GJ/t para el proceso de seca a cerca de 5,29 GJ/t para el
procesohmedo.
Las mejores prcticas de consumo especfico de energa en la India
es 3,06,mientras GJ/t en algunos pases del mundo que es inferior a
2,95 GJ/t. Elmayor consumo especfico de energa en la India se debe
en parte a la materiaprima ms difcil y la mala calidad del
combustible. Recuperacin del calorresidual de los gases calientes
en el sistema ha sido reconocida como unaopcin potencial para
mejorar la eficiencia energtica. Sin embargo, hay pocosanlisis
termodinmicos detallados de plantas de cemento de funcionamientoque
evalan la opcin de recuperacin del calor residual. En este trabajo
seacumula un balance de energa para una planta en operacin y
lasestimaciones de la potencia que pueden ser generados por el
calor los flujos deresiduos.
El proceso de fabricacin de cemento se puede dividir en tres
pasos bsicos, lapreparacin de las materias primas,
piro-procesamiento para producir el clinkery molienda de clnker y
la mezcla con otros productos para hacer cemento. Lasmaterias
primas obtenidas de la cantera se trituran, muelen y se mezclan
comouna mezcla en el proceso hmedo y un polvo en el proceso seco.
Esta mezclase introduce en un calcinador y precalentamiento antes
de introducirlo en elhorno, por piro-procesamiento (formacin de
escoria). El horno alcanzatemperaturas superiores a 1450 C. Los
ndulos de clinker producido ycualquier anuncio-divisin luego se
bajan a la fineza deseada en el molino decemento.
Piro-procesamiento consume el 99% de la energa del combustible
mientras que la electricidad se utiliza principalmente para
operar tanto de lasmaterias primas (33%) y clinker (38%), equipos
de trituracin y molienda. Piro-
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procesamiento requiere otro 22% de la electricidad por lo que es
el paso msconsumidor de energa del proceso de produccin.
2. Sistema de definicin y el origen de datos
La planta de cemento en cuestin es Maihar Cemento - Unidad 2,
Madhya
Pradesh, India. Un diagrama esquemtico de la planta (Fig. 1)
muestra el flujode varias corrientes y los componentes de la
planta. La planta se ejecuta enproceso seco con precalentador de
cinco etapas y un calcinador de suspensinen lnea. La capacidad de
produccin es 3 800 toneladas por da. El consumoespecfico de energa
para la planta es de 3,7 GJ por tonelada de clinker y 87kWh (0,31
GJ) de electricidad por tonelada de cemento. Dado que es una delas
plantas ms eficientes en el pas [5] es adecuado como un caso
dereferencia para el estudio.
El sistema en estudio para el balance de energa se incluye en la
cajarectangular en la figura. 1. Es la unidad piro-procesamiento
que incluye elprecalentador, el calcinador, el horno y el enfriador
de clnker. Las corrientes enel sistema son la materia prima, el
aire en el refrigerador y el carbn en elhorno y el calcinador. Las
corrientes que abandonan el sistema se clnkerdesde el refrigerador,
los gases de escape del precalentador y el aire calientefuera de la
nevera. El sistema junto con todos los datos disponibles se
resumenen la figura. 2. La composicin del carbn en la salida del
sistema y clinker delsistema est representado en las figuras. 3 y
4, mientras que la composicindel precalentador de escape se da en
la Tabla 1.
Fig. 1. Esquema de la planta de cemento Maihar
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Fig. 2. Disponible para las secuencias de datos en el
sistema
Fig. 3. Composicin de carbn.
Fig. 4. Composicin de clinker
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Tabla 1. Composicin del precalentador de escape
Especies %CO2 38N2 57
O2 53. Balance de masa
El flujo de datos obtenidos a partir de la planta se utiliza
para realizar un
balance de masa sobre el sistema. Las siguientes reacciones se
sabe que se
producen en el sistema: las reacciones de calcinacin
CaCO3 CaO + CO2
MgCO3 MgO + CO2
Asumiendo combustin completa de carbn:
C + O2CO2
4H + O22H2O
S + O2SO2
Clculos estequiomtricos se utilizan para llegar a la velocidad
de flujo de los
otros cursos de agua. La composicin del precalentador de escape
que se
sabe y un equilibrio de las especies de nitrgeno, oxgeno y
dixido de carbono
proporciona el caudal de los gases de escape. La composicin y el
caudal de la
alimentacin de materia prima se estiman a partir de la
composicin de clnker
y las reacciones. Los caudales final de las diferentes
corrientes se resumen en
la figura. 5.
Fig. 5. Tasas de flujo msico de diferentes corrientes en el
sistema
4. Balance de energa
Un balance de entalpa del sistema es elaborado, tomando la
referencia de
entalpia para ser 0 kJ kg / a 0 C y 1 atm. La entalpa especfica
de los diversos
componentes se obtiene de Perry. Las temperaturas de las
corrientes se miden
y el poder calorfico del carbn se obtiene de los datos de la
planta (Fig. 2) La
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energa de entrada con varias corrientes se calcula por kg de
clnker producido.
El balance de energa global se resume en la Tabla 2.
Un balance de componente energtico sabio es similar elaborado
utilizando la
informacin sobre el grado de calcinacin. El material que entra
en el
calcinador es del 30% calcinado y el material que sale de la
cal-Ciner es de96% calcinado. Se supone que la energa de la
calcinacin se distribuye
uniformemente en el rango de temperatura para calcular la energa
de
calcinacin en cada componente. Tambin se supone que el carbn de
entrar
en el calcinador est totalmente quemado en el calcinador y que
entren en el
horno se quema en el horno.
Tabla 2 Resumen de la entalpia
CorrienteCaudal
(kg/kg clinker)Calor Especfico
(kJ/kg K)Temperatura
(C)Entalpa
(kJ/kg clinker)
ENTRADAS DEL SISTEMA
Primas dealimentacin
1,56 0,9
Aire ambiente 2,98 1,0
Carbn 0,15 0,9
Combustin decarbn
Valor Neto Calorfico = 23 800 kJ/kg carbn 3 611
Total 3 773
SALIDAS DEL SISTEMAClinker 1,00 0,8 100 82
Precalentador deescape
2,27 1,0 280 636Aire caliente del
enfriador1,42 1,0 400 568
Energa de reaccin 1 850Total 3 136
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Fig. 6. Diagrama de Sankey para el sistema
El balance de energa para todo el sistema se resume como un
diagrama de
Sankey (Fig. 6). Los valores se indican como porcentaje de la
energa total
liberada por la combustin de carbn en el calcinador, as como el
horno. La
energa liberada en la combustin de carbn es de unos 3.600 kJ/kg
de clnker.
Se observa en el diagrama de flujo de entalpa que hay un buen
acuerdo entre
la entrada total de energa al sistema y fuera del sistema con
una incoherencia
de alrededor de 600 kJ/kg de clinker que asciende a cerca de 15%
de la
energa de entrada. Teniendo en cuenta la naturaleza de las
fuentes de datos y
de las simplificaciones hecho, el balance de energa se puede
decir que estar
en buen acuerdo. Algunas de las fuentes de error que no se han
considerado
son las prdidas por radiacin predominantemente de la camisa del
horno, la
energa que se pierde con el polvo dejando con las diferentes
corrientes.
Un parmetro que se utiliza para evaluar el desempeo del sistema
es la
eficiencia de energa primaria, definida como:
Donde Ques la energa utilizada para la reaccin, W es la potencia
generada,
np es la eficiencia de una central elctrica convencional y se
supone que el
35%, mientras que Q es el aporte de energa trmica.
Con la metodologa actual de la fabricacin, la eficacia primaria
del proceso es
del 50% y el 35% restante de la energa se pierde con los gases
de combustin
y el aire caliente, y la valorizacin energtica de estas
corrientes mejorara la
eficiencia global del sistema. La energa que sale del sistema
con las dos
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corrientes se puede calcular como la relacin entre la entalpa
realizada con la
secuencia de escape HExhausty la entalpa de salir con el aire
caliente Haira la
entalpia en el sistema de la combustin de carbn Q.
Energa transportada con el precalentador corriente de escape
Energa transportada con el aire caliente del refrigerante
La temperatura a la que los gases de escape se enfran en el
precalentador
est limitada por el nmero de ciclones. La mayora de las plantas
modernas
tienen cinco ciclones debido a las limitaciones estructurales.
Se ve que elsistema tiene un precalentador de alta eficiencia
energtica y no hay prdidas
significativas. La temperatura de los gases de combustin en el
precalentador
es de 900 C y la temperatura del material en el intercambio de
calor es de
unos 800 C, lo que indica que el proceso es termodinmicamente
eficiente. La
nica derrota en el precalentador es en forma de gases de escape
(18%). Se
ha sugerido que el proceso de ser modificado para la recuperacin
mejorada
de calor residual mediante la sustitucin del sistema de
precalentamiento con el
sistema de recuperacin del calor residual. Sin embargo, teniendo
en cuenta
las especificaciones del proceso y la alta eficiencia, es
conveniente considerarla opcin de recuperar el calor de los arroyos
existentes en lugar de modificar
el sistema. Anlisis de exerga en el precalentador de ciclones
han indicado
que la eficiencia de la segunda ley del precalentador es alta,
por lo que no se
propone realizar modificaciones en el precalentador lugar una
adaptacin a los
componentes existentes se sugiere.
5. De generacin de energa
Fig. 7. Esquema para el sistema de generacin de energa. El calor
de dos
flujos de residuos estn disponibles para la generacin de energa
y se
propone que una recuperacin del calor residual del generador de
vapor(WHRSG) se utiliza para generar vapor que pasa a travs de una
turbina de
vapor para generar energa. Un diagrama esquemtico se muestra en
la figura.
7. La naturaleza de las dos corrientes se diferentes, el
precalentador de escape
est muy cargado de polvo (70 g/Nm3) intercambiadores por lo
tanto, por
separado se debe disear para las dos corrientes.
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Fig. 7. Esquema para el sistema de generacin de energa
Fig. 8. Diagrama temperatura-entalpa para HRSG
Sobre la base de la temperatura de las corrientes un ciclo de
vapor se
selecciona. Un punto de pellizco (temperatura mnima de enfoque)
de 20 C se
toma. Los parmetros de vapor se toman como 10 bares saturados en
la
entrada de la turbina de vapor. La temperatura del condensador
se ha
seleccionado a 50 C como la temperatura ambiente llega a mayores
de 40 C
en los meses de verano. Las corrientes en el WHRSG estn
representadas en
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un diagrama de temperatura entalpa en la figura. 8. De la
temperatura de la
corriente se ve que los intercambiadores en paralelo se debe
utilizar para una
mayor recuperacin en comparacin con una configuracin de serie
para las
dos corrientes.
El precalentador de flujo de escape se enfra hasta 178 C,
mientras que lacorriente de aire caliente se enfra a 140 C. Ambos
estn por encima de
temperaturas de la corriente del punto de roco cido de los
arroyos. La energa
generada por el sistema es de unos 100 kJ/kg de clnker que
asciende a 4,4
MW, con una tasa de produccin de 3800 toneladas por da. Esto
equivale a
alrededor del 30% del requerimiento total de energa de la
planta.
El diseo de un WHRSG de las corrientes de gas debe tener en
cuenta que los
gases de combustin son muy cargados de polvo. Prediccin del
rendimiento
del intercambiador de calor se requiere una estimacin de las
caractersticas de
la contaminacin de los arroyos. El polvo tambin es probable que
cause laabrasin sobre todo en las curvas y tiene que ser
considerado, mientras que el
diseo. Prediccin de las caractersticas ensuciamiento de los
gases cargados
de polvo requiere la experimentacin. Desde el poder ser objeto
de reembolso
es significativo, un proyecto para predecir el comportamiento de
ensuciamiento
se sugiere. Los modelos tericos de prediccin de la deposicin de
polvo de los
arroyos se pueden utilizar para una primera estimacin de las
caractersticas
de ensuciamiento.
La implementacin del sistema que requieren una consideracin
especial de la
distribucin del sistema, y podra plantear un problema en algunas
de lasplantas ms antiguas que han sido objeto de una serie de
cambios
estructurales. La eficiencia de energa primaria de la planta de
cemento con el
sistema de cogeneracin es de 60%, lo que indica una mejora del
10%. El
costo de la electricidad suministrada por las empresas elctricas
es de
aproximadamente Rs. 4.5 (EE.UU. $ 0.096) por kWh [7] por lo
tanto, para la
planta de los ahorros de la cantidad de energa recuperada de
alrededor de Rs.
16 millones de rupias (EE.UU. $ 3,4 millones) por ao para un
grupo de trabajo
de 330 das en un ao, asumiendo una parada de alrededor de 5 das
para el
mantenimiento del sistema debido a la suciedad ex excesivo
causado por elpolvo, cada tres meses. El primer presupuesto de
gastos para el sistema es de
aproximadamente Rs. 5 millones de rupias por MW y teniendo en
cuenta los
costes de explotacin, el periodo de recuperacin del sistema se
estima en 2
aos.
La produccin de cemento en la India es de unos 110 millones de
toneladas
por ao, extrapolando los resultados de unos 450 MW de potencia
pueden ser
generados a partir de las diversas plantas en la India. Un gran
nmero de
plantas en el pas son relativamente ineficientes en comparacin
con la planta
considerada con una temperatura ms alta de los gases de escape,
por lotanto, se espera que la energa generada sea mayor de lo
estimado.
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Una de las principales consideraciones en el diseo del sistema
ha sido para
que sea una adaptacin y el uso de las corrientes de gas slo
aguas abajo del
proceso y el funcionamiento del horno calcinador y se mantiene
precalentador
afectados. Esto asegurar ms fcil la aceptacin de la opcin y si
se requiere
un apagn del sistema de cogeneracin se pueden tomar sin afectar
a la
produccin de la planta de cemento.
