BALANCE DE ENERGÍA Y COGENERACIÓN EN PLANTA DE CEMENTO

La industria del cemento es una industria intensiva en consumo de energía alrededor de 4 GJ por tonelada de cemento producida. Un análisis termodinámico de cogeneración que utilice el calor de los flujos de residuos no está fácilmente disponible. Los datos de un trabajo 1 Mt por planta al año en la India se utiliza para obtener un balance de energía para el sistema y se dibuja un diagrama de Sankey. Se ha encontrado que alrededor del 35% de la energía de entrada se está perdiendo con el calor los flujos de residuos. Un ciclo de vapor se selecciona para recuperar el calor de los arroyos con una recuperación del calor residual del generador de vapor y se estima que alrededor de 4,4 MW de electricidad puede ser generada. Esto representa alrededor del 30% de las necesidades de electricidad de la planta y una mejora del 10% en la eficiencia de energía primaria de la planta. El periodo de recuperación para el sistema se encuentra a un plazo de dos años.

1. Introducción

La industria del cemento es una industria intensiva en energía. En India, la industria representa el 10,3% del consumo total de combustible en el sector de fabricación. Los costos de energía representan aproximadamente el 26% del coste de fabricación de cemento. En términos del consumo de energía primaria de alrededor del 25% de la energía de entrada es la electricidad mientras que el 75% es energía térmica. El consumo específico de energía varía de cerca de 3,40 GJ/t para el proceso de seca a cerca de 5,29 GJ/t para el proceso húmedo.

Las mejores prácticas de consumo específico de energía en la India es 3,06, mientras GJ/t en algunos países del mundo que es inferior a 2,95 GJ/t. El mayor consumo específico de energía en la India se debe en parte a la materia prima más difícil y la mala calidad del combustible. Recuperación del calor residual de los gases calientes en el sistema ha sido reconocida como una opción potencial para mejorar la eficiencia energética. Sin embargo, hay pocos análisis termodinámicos detallados de plantas de cemento de funcionamiento que evalúan la opción de recuperación del calor residual. En este trabajo se acumula un balance de energía para una planta en operación y las estimaciones de la potencia que pueden ser generados por el calor los flujos de residuos.

El proceso de fabricación de cemento se puede dividir en tres pasos básicos, la preparación de las materias primas, piro-procesamiento para producir el clinker y molienda de clínker y la mezcla con otros productos para hacer cemento. Las materias primas obtenidas de la cantera se trituran, muelen y se mezclan como una mezcla en el proceso húmedo y un polvo en el proceso seco. Esta mezcla se introduce en un calcinador y precalentamiento antes de introducirlo en el horno, por piro-procesamiento (formación de escoria). El horno alcanza temperaturas superiores a 1450 °C. Los nódulos de clinker producido y cualquier anuncio-división luego se bajan a la fineza deseada en el molino de cemento. Piro-procesamiento consume el 99% de la energía del combustible mientras que la electricidad se utiliza principalmente para operar tanto de las materias primas (33%) y clinker (38%), equipos de trituración y molienda. Piro-procesamiento requiere otro 22% de la electricidad por lo que es el paso más consumidor de energía del proceso de producción.

2. Sistema de definición y el origen de datos

La planta de cemento en cuestión es Maihar Cemento - Unidad 2, Madhya Pradesh, India. Un diagrama esquemático de la planta (Fig. 1) muestra el flujo de varias corrientes y los componentes de la planta. La planta se ejecuta en proceso seco con precalentador de cinco etapas y un calcinador de suspensión en línea. La capacidad de producción es 3 800 toneladas por día. El consumo específico de energía para la planta es de 3,7 GJ por tonelada de clinker y 87 kWh (0,31 GJ) de electricidad por tonelada de cemento. Dado que es una de las plantas más eficientes en el país [5] es adecuado como un caso de referencia para el estudio.

El sistema en estudio para el balance de energía se incluye en la caja rectangular en la figura. 1. Es la unidad piro-procesamiento que incluye el precalentador, el calcinador, el horno y el enfriador de clínker. Las corrientes en el sistema son la materia prima, el aire en el refrigerador y el carbón en el horno y el calcinador. Las corrientes que abandonan el sistema se clínker desde el refrigerador, los gases de escape del precalentador y el aire caliente fuera de la nevera. El sistema junto con todos los datos disponibles se resumen en la figura. 2. La composición del carbón en la salida del sistema y clinker del sistema está representado en las figuras. 3 y 4, mientras que la composición del precalentador de escape se da en la Tabla 1.

Fig. 1. Esquema de la planta de cemento Maihar

Fig. 2. Disponible para las secuencias de datos en el sistema

Fig. 3. Composición de carbón.

Fig. 4. Composición de clinker

Tabla 1. Composición del precalentador de escape

Especies %CO2 38N2 57O2 5

3. Balance de masa

El flujo de datos obtenidos a partir de la planta se utiliza para realizar un balance de masa sobre el sistema. Las siguientes reacciones se sabe que se producen en el sistema: las reacciones de calcinación

CaCO3 CaO + CO2

MgCO3 MgO + CO2

Asumiendo combustión completa de carbón:

C + O2 CO2

4H + O2 2H2O

S + O2 SO2

Cálculos estequiométricos se utilizan para llegar a la velocidad de flujo de los otros cursos de agua. La composición del precalentador de escape que se sabe y un equilibrio de las especies de nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono proporciona el caudal de los gases de escape. La composición y el caudal de la alimentación de materia prima se estiman a partir de la composición de clínker y las reacciones. Los caudales final de las diferentes corrientes se resumen en la figura. 5.

Fig. 5. Tasas de flujo másico de diferentes corrientes en el sistema

4. Balance de energía

Un balance de entalpía del sistema es elaborado, tomando la referencia de entalpia para ser 0 kJ kg / a 0 °C y 1 atm. La entalpía específica de los diversos componentes se obtiene de Perry. Las temperaturas de las corrientes se miden y el poder calorífico del carbón se obtiene de los datos de la planta (Fig. 2) La energía de entrada con varias corrientes se calcula por kg de clínker producido. El balance de energía global se resume en la Tabla 2.

Un balance de componente energético sabio es similar elaborado utilizando la información sobre el grado de calcinación. El material que entra en el calcinador es del 30% calcinado y el material que sale de la cal-Ciner es de

96% calcinado. Se supone que la energía de la calcinación se distribuye uniformemente en el rango de temperatura para calcular la energía de calcinación en cada componente. También se supone que el carbón de entrar en el calcinador está 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 Específico

(kJ/kg K)Temperatura

(ºC)Entalpía

(kJ/kg clinker)

ENTRADAS DEL SISTEMA

Primas de alimentación

1,56 0,9

Aire ambiente 2,98 1,0

Carbón 0,15 0,9

Combustión de carbón

Valor Neto Calorífico = 23 800 kJ/kg carbón 3 611

Total 3 773

SALIDAS DEL SISTEMA

Clinker 1,00 0,8 100 82

Precalentador de escape

2,27 1,0 280 636

Aire caliente del enfriador

1,42 1,0 400 568

Energía de reacción 1 850

Total 3 136

Fig. 6. Diagrama de Sankey para el sistema

El balance de energía para todo el sistema se resume como un diagrama de Sankey (Fig. 6). Los valores se indican como porcentaje de la energía total

liberada por la combustión de carbón en el calcinador, así como el horno. La energía liberada en la combustión de carbón es de unos 3.600 kJ/kg de clínker.

Se observa en el diagrama de flujo de entalpía que hay un buen acuerdo entre la entrada total de energía 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 energía de entrada. Teniendo en cuenta la naturaleza de las fuentes de datos y de las simplificaciones hecho, el balance de energía se puede decir que estar en buen acuerdo. Algunas de las fuentes de error que no se han considerado son las pérdidas por radiación predominantemente de la camisa del horno, la energía que se pierde con el polvo dejando con las diferentes corrientes.

Un parámetro que se utiliza para evaluar el desempeño del sistema es la eficiencia de energía primaria, definida como:

Donde Qu es la energía utilizada para la reacción, W es la potencia generada, np es la eficiencia de una central eléctrica convencional y se supone que el 35%, mientras que Q es el aporte de energía térmica.

Con la metodología actual de la fabricación, la eficacia primaria del proceso es del 50% y el 35% restante de la energía se pierde con los gases de combustión y el aire caliente, y la valorización energética de estas corrientes mejoraría la eficiencia global del sistema. La energía que sale del sistema con las dos corrientes se puede calcular como la relación entre la entalpía realizada con la secuencia de escape HExhaust y la entalpía de salir con el aire caliente Hair a la entalpia en el sistema de la combustión de carbón Q.

Energía transportada con el precalentador corriente de escape

Energía transportada con el aire caliente del refrigerante

La temperatura a la que los gases de escape se enfrían en el precalentador está limitada por el número de ciclones. La mayoría de las plantas modernas tienen cinco ciclones debido a las limitaciones estructurales. Se ve que el sistema tiene un precalentador de alta eficiencia energética y no hay pérdidas significativas. La temperatura de los gases de combustión 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 termodinámicamente eficiente. La única derrota en el precalentador es en forma de gases de escape (18%). Se ha sugerido que el proceso de ser modificado para la recuperación mejorada de calor residual mediante la sustitución del sistema de precalentamiento con el sistema de recuperación del calor residual. Sin embargo, teniendo en cuenta las especificaciones del proceso y la alta eficiencia, es conveniente considerar

la opción de recuperar el calor de los arroyos existentes en lugar de modificar el sistema. Análisis de exergía 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 adaptación a los componentes existentes se sugiere.

5. De generación de energía

Fig. 7. Esquema para el sistema de generación de energía. El calor de dos flujos de residuos están disponibles para la generación de energía y se propone que una recuperación del calor residual del generador de vapor (WHRSG) se utiliza para generar vapor que pasa a través de una turbina de vapor para generar energía. Un diagrama esquemático se muestra en la figura. 7. La naturaleza de las dos corrientes se diferentes, el precalentador de escape está muy cargado de polvo (70 g/Nm3) intercambiadores por lo tanto, por separado se debe diseñar para las dos corrientes.

Fig. 7. Esquema para el sistema de generación de energía

Fig. 8. Diagrama temperatura-entalpía para HRSG

Sobre la base de la temperatura de las corrientes un ciclo de vapor se selecciona. Un punto de pellizco (temperatura mínima de enfoque) de 20 °C se toma. Los parámetros 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 están representadas en un diagrama de temperatura entalpía en la figura. 8. De la temperatura de la corriente se ve que los intercambiadores en paralelo se debe utilizar para una mayor recuperación en comparación con una configuración de serie para las dos corrientes.

El precalentador de flujo de escape se enfría hasta 178 °C, mientras que la corriente de aire caliente se enfría a 140 °C. Ambos están por encima de temperaturas de la corriente del punto de rocío ácido de los arroyos. La energía generada por el sistema es de unos 100 kJ/kg de clínker que asciende a 4,4 MW, con una tasa de producción de 3800 toneladas por día. Esto equivale a alrededor del 30% del requerimiento total de energía de la planta.

El diseño de un WHRSG de las corrientes de gas debe tener en cuenta que los gases de combustión son muy cargados de polvo. Predicción del rendimiento del intercambiador de calor se requiere una estimación de las características de la contaminación de los arroyos. El polvo también es probable que cause la abrasión sobre todo en las curvas y tiene que ser considerado, mientras que el diseño. Predicción de las características ensuciamiento de los gases cargados de polvo requiere la experimentación. Desde el poder ser objeto de reembolso es significativo, un proyecto para predecir el comportamiento de ensuciamiento se sugiere. Los modelos teóricos de predicción de la deposición de polvo de los arroyos se pueden utilizar para una primera estimación de las características de ensuciamiento.

La implementación del sistema que requieren una consideración especial de la distribución del sistema, y podría plantear un problema en algunas de las plantas más antiguas que han sido objeto de una serie de cambios estructurales. La eficiencia de energía primaria de la planta de cemento con el sistema de cogeneración es de 60%, lo que indica una mejora del 10%. El costo de la electricidad suministrada por las empresas eléctricas 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 energía recuperada de alrededor de Rs. 16 millones de rupias (EE.UU. $ 3,4 millones) por año para un grupo de trabajo

de 330 días en un año, asumiendo una parada de alrededor de 5 días para el mantenimiento del sistema debido a la suciedad ex excesivo causado por el polvo, 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 explotación, el periodo de recuperación del sistema se estima en 2 años.

La producción de cemento en la India es de unos 110 millones de toneladas por año, extrapolando los resultados de unos 450 MW de potencia pueden ser generados a partir de las diversas plantas en la India. Un gran número de plantas en el país son relativamente ineficientes en comparación con la planta considerada con una temperatura más alta de los gases de escape, por lo tanto, se espera que la energía generada sea mayor de lo estimado.

Una de las principales consideraciones en el diseño del sistema ha sido para que sea una adaptación y el uso de las corrientes de gas sólo aguas abajo del proceso y el funcionamiento del horno calcinador y se mantiene precalentador afectados. Esto asegurará más fácil la aceptación de la opción y si se requiere un apagón del sistema de cogeneración se pueden tomar sin afectar a la producción de la planta de cemento.

6. Conclusión

Los datos recogidos de un monte una fábrica de cemento por año de trabajo se utilizó para llegar a un balance de energía para la unidad piro-procesamiento. El diagrama de Sankey reveló que la eficiencia de las unidades de precalentador y calcinador es alta. La eficiencia térmica global de la planta se encontró que el 50% y está cerca de las mejores prácticas con las limitaciones tecnológicas actuales. El calor residual se estimó en 35% de la energía de entrada. Un ciclo de vapor de adaptación ha sido seleccionado y de la planta considerada alrededor de 4,4 MW de potencia pueden ser generados por el calor los flujos de residuos. Esto representó una mejora de alrededor del 10% en términos de eficiencia de energía primaria de la planta. Alrededor del 30% de las necesidades de energía de la planta por lo tanto pueden ser atendidas desde el sistema de cogeneración. Extrapolando a la producción de cemento en la India este ofrece un potencial de alrededor de 450 MW y es una opción económicamente viable para las plantas de cemento.

Referencias