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Oportunidad para la
optimización de los procesos
a través de la recuperación de
calores residuales
Sandra Catalina Navarro G.
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Problema
Soluciones
Propuesta
• Eficiencia
horno
• Recuperación
de calores
residuales
• Sales fundidas
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Calentamiento y calcinación
CaCO3 (s)
CaO (s) + CO2 (g)
Emisiones de CO2:
Combustible: 0.32 ton/ton clinker
Calcinación: 0.54 ton/ton clinker
600-800°C
1450°C
Reacciones de sinterización:
C3S, C2S, C3A, C4AF
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Consumo calórico
Tipo de horno
MJ/ton clinker
MMBtu/ton
clinker
Kcal/kg clinker
5,860 – 6,280
5.55 – 5.95
1,400-1,500
Largo seco
4,600
4.36
1,098
Seco–Precalentador 1 etapa
4,180
3.96
998
Seco–Precalentador 2 etapas
3,770
3.57
900
Seco–Precalentador 4 etapas
3,550
3.36
848
Seco–Precalentador 4 etapas + Calcinador
3,140
2.97
750
3,010
2.85
719
<2,930
2.78
699
Húmedo
Seco–Precalentador 5 etapas + Calcinador
+ Enfriador Alta Eficiencia
Seco–Precalentador 6 etapas + Calcinador
+ Enfriador Alta Eficiencia
Adaptado de: Waste Heat Recovery for the Cement Sector, Institute for Industrial Productivity, IFC.
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Balance de energía típico: Referencia 20°C
Entrada
Harina al horno
Combustible
Aire total
Total entrada
Horno PC 4 Etapas,
kcal/kg clinker
15
835
0
850
Salida
Horno PC 4 Etapas,
kcal/kg clinker
Calor teórico de formación clinker
Evaporación agua
Gases de escape
Polvo en gases de escape
Aire exceso enfriador
Clinker
Radiación,
Precalentador
Horno
Enfriador
Total Salida
420
5
210
3
115
14
35
45
3
850
Tomado de: The Cement Plant Operations Handbook, Fifth Edition.
Honor PC 5 Etapas +
Calcinador,
kcal/kg clinker
15
735
0
750
Honor PC 5 Etapas +
Calcinador,
kcal/kg clinker
420
5
151
7
85
14
40
25
3
750
49-56%
Pérdidas
44-51%
Formación clinker
54.9%
100%
Energía Total Entrada
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Gases escape: 20%
Aire exceso enfriador: 12.8%
Diagrama Sankey – Balance de energía
Adaptado de: Ari, V. Energetic and exergetic assessments of a cement rotary
kiln. Scientific Research and Essays, Vol 6(6), 2011.
Pérdidas sin contabilizar: 5.4%
Radiación y convección: 3.1%
Calor sensible clinker: 2.2%
Humedad materia prima: 1.6%
Maximizar la eficiencia global del
proceso del horno
Recuperación calores residuales
Planta Harleyville - USA
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Gases precalentador:
300 – 400°C
180-250 kcal/kg clinker
Aire exceso del enfriador:
250 – 340°C
80-130 kcal/kg clinker
Planta Toluviejo - Colombia
¿Como se realiza hoy la
recuperación y aprovechamiento
de los calores residuales en las
plantas de cemento?
Planta Cartagena - Colombia
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Secado Materias Primas y
Combustibles –
Diseño del sistema horno
Sistema horno
Producción
Secado Materias Primas –
Molino de Cemento
Aire caliente para la
combustión –
Aires secundario y terciario
Contenido de humedad
materias primas
Molinos de crudo,
preparación de combustible y
molino de cemento
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Ventajas
Cogeneración –
Generación de electricidad
Reducir energía
comprada/autogenerada
Confianza suministro energía
Protección contra aumento de precios
de la electricidad
Limitaciones
N° Plantas
Temperaturas: >300°C, >150°C
Eficiencias: 15 a 25%
Consumo de agua
Viabilidad económica:
Potencia neta generada
Valor electricidad desplazado
Tomado de: Waste Heat Recovery for the Cement Sector, Institute for Industrial
Productivity, IFC.
Legislación local
¿Cuáles son las nuevas
propuestas en materia de
recuperación de calor residual
para mejorar la eficiencia térmica
del proceso?
Planta Newberry - USA
Sales Fundidas
Recuperación y
aprovechamiento de
calores residuales en el
proceso de clinkerización
Planta Rioclaro - Colombia
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Sales Fundidas
Bajo punto fusión:
Temperaturas desde
65°C
Elevado coeficiente
transferencia de
calor
Alta capacidad
calórica
Estabilidad térmica
No inflamable
No explosiva
No tóxica
Manejo a presión
atmosférica
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Generador de vapor
y turbina
Sal caliente
Sal fría
Torre
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Selección de la planta
Análisis energético
Evaluación y selección de sal
Diseño conceptual y simulación del proceso
Pre-selección y dimensionamiento de equipos
Planta Toluviejo - Colombia
Prefactibilidad económica
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Energía disponible
Línea 1
Corriente
kcal/kg clinker
Aire exceso enfriador
63.1
Gases sobrantes torre
7.9
Total
70.9
%
8.0
1.0
9.0
Línea 2
Corriente
kcal/kg clinker
Aire exceso enfriador
82.8
Gases sobrantes torre
29.9
Total
112.7
%
9.9
3.6
13.4
¿Cómo
aprovechamos
esta energía?
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Aprovechamiento
Rediseño
torre
Línea 1
Flujo (ton/h)
T actual (°C)
T obtenible (°C)
122
73
259
Línea 2
Flujo (ton/h)
T actual (°C)
T obtenible (°C)
140
73
369
Capacidad
ventilador
tiro
Menor consumo
calórico, menores
emisiones
Diseño conceptual
Sal
Caliente
Aire exceso
enfriador
Gases
Harina
Aire exceso
enfriador
Harina
Combustible
Horno
Clinker
Sal fría
Sal caliente
Sal fría
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Aprovechable
• Kcal/kg clinker
• Línea 1: 63 (8%)
• Línea 2: 112 (13%)
Disponible
• Kcal/kg clinker
• Línea 1: 50 (6%)
• Línea 2: 91 (11%)
• ton CO2/año
• Línea 1: 12,449
• Línea 2: 25,876
Menores
emisiones CO2
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Prefactibilidad económica
Considerando el ahorro en
consumo combustible
Horno
Línea 1
Línea 2
Inversión, USD$
2,544,961
5,157,962
VPN, USD$ TIR, %
-777,348
5.3
-1,245,184 6.7
Considerando el ahorro en
consumo combustible +
Beneficios Tributarios
Horno
Línea 1
Línea 2
Inversión, USD$ VPN, USD$ TIR, %
2,544,961
77,320
13.4
5,157,962
811,591
17.1
* Exclusión de IVA y exención del impuesto a la renta
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Conclusiones
Reducción consumo calórico
Menor consumo combustible
Reducción de emisiones de CO2
Eficiencias globales del proceso por validar
Resultados particulares para la planta seleccionada
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
¿Que sigue?
Pequeña
escala laboratorio
Escala piloto
Nivel
industrial
Involucramiento:
Proveedores
tecnología
Industria
cementera
GRACIAS