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PLAN DE AHORRO YEFICIENCIA ENERGÉTICA 2004-2006

EN ANDALUCÍA

Subsector:

INDUSTRIA DELCEMENTO, CAL Y YESO

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Elaborado por:SODEAN S.A. Sociedad para el Desarrollo Energético de Andalucía, S.A.Consejería de Innovación, Ciencia y EmpresaJunta de AndalucíaC/ Isaac Newton, s/n. Isla de la Cartuja41092 SEVILLA (España)Tlf: (34) 954 46 09 66. Fax: (34) 954 46 06 28E-mail: sodean@sodean.es - Internet: www.sodean.es

Dirección:Francisco Bas

Coordinación:Diego Martínez

Redacción y Documentación Gráfica:Pedro Charneca, Diego Martínez, Ana Morillo, Miguel Ángel Pérez,Yago Miranda, Mercedes García, Gema Cantero

Diseño e impresión:Imprenta SAND, S. L.

Financiado por:Consejería de Innovación, Ciencia y Empresa, Junta de Andalucía

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1. ANTECEDENTES ................................................................................................... 4

2. CARACTERIZACIÓN DEL SECTOR ..................................................................... 4 2.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 4 2.2. PROCESO PRODUCTIVO ............................................................................. 6 2.2.1. Introducción ............................................................................................ 6 2.2.2. Descripción del proceso ......................................................................... 6

3. CONSUMOS ENERGÉTICOS DEL SECTOR ........................................................ 9 3.1. CONSUMOS ESPECÍFICOS DEL SECTOR ................................................ 10 3.2. DISTRIBUCIÓN DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLES ............................. 10

4. MEDIDAS DE AHORRO DE ENERGÍA. ............................................................... 12 4.1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 12 4.2. MEDIDAS DE AHORRO HORIZONTALES .................................................. 13 4.2.1. Control de pérdidas .............................................................................. 13 4.2.2. Ajuste y control de los parámetros de combustión. .............................. 15 4.2.3. Sustitución de motores por otros de alto rendimiento. ......................... 16 4.2.4. Mejoras en iluminación. ....................................................................... 17 4.2.5. Optimización de la operación de los hornos. ....................................... 17 4.2.6. Mejora del aislamiento ......................................................................... 18 4.3. MEDIDAS DE AHORRO VERTICALES ....................................................... 18 4.3.1. Extracción y preparación de las materias primas. ............................... 18 4.3.2. Disminución de la temperatura de clínkerización. ................................ 19 4.3.3. Mejoras en el enfriamiento del clínker. ................................................. 19 4.3.4. Mejoras en el control del horno. ........................................................... 21 4.3.5. Tecnología de lecho fluidificado. .......................................................... 24 4.3.6. Aprovechamiento de los calores residuales. ........................................ 27 4.3.7. Separador de alta eficiencia. ................................................................ 29 4.3.8. Ciclo Orgánico de Rankine para producción de electricidad. .............. 29 4.4. AHORRO POTENCIAL DE ENERGÍA EN EL SECTOR ............................... 31

5. ASOCIACIONES EMPRESARIALES ................................................................... 32

Índice

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1. ANTECEDENTES

En un contexto de constante aumento del consumo de energía, la planificación energética se vuelve una necesidad de gran importancia en el desarrollo de cualquier región. En el caso de Andalucía es aún más crítico debido a la gran dependencia energética del exterior.

En estas circunstancias se establecen los objetivos del Plan Energético de Anda-lucía 2003-2006 (PLEAN), que servirá como referencia para las actuaciones energéti-cas a llevar a cabo en la Comunidad Autónoma de Andalucía.

El sector industrial es uno de los principales consumidores de energía. En con-secuencia, cualquier planificación del sistema energético debería incluir la industria como un capítulo importante del mismo, como así sucede en el PLEAN.

La tabla adjunta muestra los objetivos del PLEAN en el campo del ahorro y la efi-ciencia energética:

El ahorro perseguido en el sector industrial para 2006 es 157,3 ktep (239,2 ktep para 2010).

2. CARACTERIZACIÓN DEL SECTOR

2.1 INTRODUCCIÓN

El sector del cemento en Andalucía está constituido por ocho factorías de produc-ción de Clínker y Cemento, de las cuales, cuatro de ellas pertenecen al Grupo HOL-

Unidad: ktep 2006 2010Cogeneración 172,2 339,2

Sustitución por gas natural 7,5 14,8Sector Servicios 58,6 82,4

Sector Residencial 55,6 93,4Sector Transporte 202,6 508,9Sector Industrial 157,3 239,2

Sector Transformador 120,6 271,7TOTAL 774,8 1.549,6

Tabla 1. Objetivos de Ahorro del PLEAN

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CIM (las ubicadas en Jerez, Carboneras, Gádor y Torredonjimeno), dos pertenecen a la SOCIEDAD DE CEMENTOS Y MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN DE ANDALU-CÍA. S.A (en Córdoba y Niebla), una pertenece al grupo CEMENTOS PÓRTLAND, la situada en la localidad de Alcalá de Guadaira, y otra pertenece a CEMENTOS GOLIAT, ubicada en el término municipal de Málaga. Existen también centros de producción de cemento, que adquieren el clínker en el comercio nacional o internacional, entre los que se encuentran CEMENTOS EL MONTE (en Palos de la Frontera), CEMENTOS INTERMONTE (en Sevilla, Almería y Jaén), y CEMENTOS ANTEQUERA (en Ante-quera).

El Grupo HOLCIM recientemente ha puesto en marcha en Albox, una planta de preparación de combustibles a partir de residuos de otros sectores industriales tales como neumáticos usados, grasas y asfaltos, disolventes y lodos orgánicos.

La distribución de dichas factorías se puede apreciar en el siguiente mapa.

La producción de Cal y Yeso de Andalucía se realiza en un importante número de empresas de tamaño pequeño y mediano, industrias que poseen un diverso grado tecnológico, abarcando desde las que disponen de equipos de alto nivel tecnológico hasta las que disponen de hornos de tipo “moruno” de muy escaso nivel tecnológico. La producción Andaluza de yeso supone en su conjunto, un 42% de la producción nacional del yeso en España. Por provincias, la mayor productora es Almería.

En la siguiente tabla se resumen los datos globales del sector del Cemento, Cal y Yeso en Andalucía.

Distrubución de las industrias cementeras en Andalucía.

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2.2. PROCESO PRODUCTIVO

2.2.1. INTRODUCCIÓN

El proceso productivo del cemento tiene algunas diferencias con respecto al proceso productivo del yeso, de la escayola o de la cal, no obstante, el del ce-mento, que es el más general de todos, se ilustra y explica a continuación consi-derando que en los esquemas productivos del yeso, escayola y cal, habría ligeras modificaciones.

2.2.2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

A continuación se va a realizar una pequeña descripción de los diferentes pro-cesos indicados en la Figura 1, recordando la aclaración efectuada en el apartado anterior respecto a la generalidad del proceso descrito.

a) Trituración de materias pri-mas: trituración de la mate-ria prima, adicionando los elementos oportunos para su posterior uso, intentando no alterar las propiedades físicas y químicas hasta su introducción en el proceso.

b) Conformación de escom-breras: apilado y almace-namiento de la materia prima mantenida en silos o naves hasta su utilización.

Tabla 2. Datos globales del sector del Cemento, Cal, Yeso y Escayola.

CONCEPTONº de fábricas 50

Subsector Cemento Yeso y Escayola Cal Total

Producción (t/año) 8.775.000 658.490 454.428 9.887.918

Consumo de combustible (tep PCI/año) 522.762,95 18.181,44 37.236,50 578.180,44

Consumo de electricidad (MWh/año) 987.219.000 20.165.77 13.916,53 1.021.301,85

Consumo de energía primaria (tep PCI) 765.336,89 23.136,46 40.655,55 829.128,90

Conformación de escombreras.

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Durante su almacenaje, la materia prima, ya acondi-cionada, pierde parte de la humedad inicial.

c) Secado y Molienda de materia prima: la materia prima acondicionada se in-troduce en un molino rota-torio donde se seca antes de ser molida.

d) Homogenización en silos: donde se homogeniza la mezcla como paso previo al tratamiento térmico.

e) Deshidratación y Carbonatación: secado hasta una temperatura próxima a 150ºC y eliminación del agua de constitución de la arcilla a unos 500ºC.

f) Precalcinación: descarbonatación desde 850ºC hasta unos 1.100ºC.

g) Calcinación: clinkerización entre 1.250 ºC y 1.475 ºC, solo necesario en el caso de la obtención de clínker y cal.

h) Enfriamiento: tras finalizar el aporte térmico, es necesario enfriar el producto obte-nido, lo cual se puede hacer aprovechando parte del calor extraído.

Molino de Materia Prima.

Llama en horno de Clínker. Quemador de horno de Clínker.

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i) Molienda: tras alcanzar una temperatura adecuada, se añaden componentes y se procede a realizar una molienda en diferentes grados, en función de las propieda-des finales que se desean obtener.

j) Ensilado: este es el paso final previo a la expedición, la cual, puede llevarse a cabo a granel o ensacada.

Parrilla para enfriamiento del Clínker.

Molino de bolas(Cortesía de Polysius)

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Figura 1. Diagrama de bloques del proceso productivo del Sector Cementero.

3. CONSUMOS ENERGÉTICOS DEL SECTOR

El sector industrial estudiado, posee diversos consumos que varían en función del producto final deseado. El cemento es el producto que precisa de un mayor aporte de energía térmica y eléctrica para su obtención; no obstante, se puede analizar el conjunto sectorial y los consumos específicos de éste, analizando el cociente entre el consumo y la producción, (representados en la Tabla 2) y ver su importancia frente al mercado nacional, (Tabla 3.1).

Tabla 3.1. Comparativa de consumo de energía del sector a nivel andaluz y nacional.

Tipo de energía uds Nivel Andaluz (1)

Nivel Nacional (2)

%(1)/ (2)

Combustibles tep PCI/año 578.180,44 2.756.421 20,98Electricidad kWh/año 1.021.301.848 4.339.030.143 23,54E. Final Global tep PCI/año 666.012,40 2.793.737 23,84E. Primaria Global tep PCI/año 829.128,90 3.995.879 20,75Producción toneladas 9.887.918 48.067.803 20,57

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Estos consumos engloban tanto la obtención del cemento, como la del yeso, esca-yola y cal. Han sido obtenidos solicitando datos a las empresas del sector y mediante consultas a las principales asociaciones de productores como OFICEMEN y ATEDY. Asimismo se han analizado documentos pertenecientes a los Ministerios de Industria, de Turismo y Comercio, así como al Instituto Nacional de Estadística.

3.1. CONSUMOS ESPECÍFICOS DEL SECTOR

En este apartado se calculan los consumos específicos de energía en el sector a partir de los valores del apartado anterior recogidos en la tabla 3.2.

Debe indicarse que el caso del cemento, los consumos específicos poseen valores mas elevados que los antes indicados, al ser mayor el consumo de energía necesario por tonelada de cemento producido.

3.2. DISTRIBUCIÓN DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLES

Cabe indicar que actualmente se tiende a consumir nuevos combustibles, obtenidos de residuos industriales (harinas cárnicas, disol-ventes, pinturas, etc); por ejemplo, se unifor-mizan las propiedades de diversos residuos para mezclarlos con polvo de serrín y obtener un compuesto de comportamiento parecido al carbón pulverizado.

Tabla 3. 2. Consumos específicos del sector.

Concepto Cantidad UnidadConsumo Específico Térmico 0,0585 tep / tConsumo Específico Eléctrico 103,288 kWh / tConsumo Específico de Energía Primaria (global) 0,0838 tep / t

Equipo de mezclado de combustibles residuales

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En la Tabla 4 se ilustran los consumos de los principales combustibles del sector, así como su participación en el consumo total del mismo.

Se indica a continuación, una distribución aproximada de los consumos eléctricos en el sector.

Tabla 4. Consumos de combustibles en el sector del cemento, escayola, cal y yeso.

Combustible Consumo tep PCI % Consumo s/totalFuelóleo 40.776,34 7,05%Carbón mineral 6.379,35 1,10%Coque de petróleo 397.202,73 68,64%Neumáticos 2.681,01 0,46%Hulla 98.175,15 16,96%Biomasa 9.375,34 1,62%Carbón mineral 8.336,37 1,44%Gas natural 13.114,14 2,27%Otros 2.667,98 0,46%TOTAL 578.708,44 100,00%

Tabla 5. Distribución del consumo eléctrico en el sector del cemento, cal y yeso.

Sección Consumo frente al globalTrituración y prehorno 0,32%Molienda de Crudo 24,23%Molino de Carbón 2,74%Calcinación 22,18%Infraestructura 1,33%Pérdidas por transformación 2,48%Molienda de Cemento 39,53%Aire Comprimido 6,83%Envasado y Carga 0,36%

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4. MEDIDAS DE AHORRO DE ENERGÍA.

4.1. INTRODUCCIÓN

Para la estimación de los potenciales de ahorro de cada una de las medidas que se van a evaluar, se efectuarán cálculos en base a una serie de industrias auditadas, extrapolando los resultados obtenidos al total de la producción del sector.

Para cada medida se procederá a calcular el ahorro y la diversificación energé-tica que se consigue con ella, tanto en rango de ahorro por factoría como para todo el sector. Asociado a un menor consumo de energía siempre hay un menor impacto ambiental. Este impacto dependerá del tipo de energía que se consuma y de la que se ahorre y se diversifique.

El potencial de ahorro que se puede conseguir con cada medida depende de las características propias de cada factoría: capacidad de producción (por motivos de escala), factor de carga (mientras más alejado esté del punto de producción nominal se darán menores rendimientos y mayores consumos específicos), com-bustible empleado, etc. Por ello los valores que se darán no son de inmediata aplicación a cualquier factoría, pero se pueden considerar lo suficientemente re-presentativos.

Torre de ciclones de horno de clinker. Esquema de funcionamiento.

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Las diferentes medidas de ahorro se clasifican entre las que se pueden aplicar de forma genérica en todo tipo de industrias (se denominan “horizontales”) y las que son específicas de cada sector de actividad industrial y que pueden afectar en mayor o menor medida al proceso productivo y a su tecnología (se denominan “verticales”).

Aunque sea evidente, no está de más recordar que para considerar como reco-mendable una medida de ahorro, no basta con que, efectivamente, haya un ahorro energético y sea tecnológicamente posible. Deben tenerse siempre en cuenta aspec-tos de calidad del producto y de garantías de salubridad del mismo.

4.2. MEDIDAS DE AHORRO HORIZONTALES

4.2.1. CONTROL DE PÉRDIDAS

Se pueden poner en práctica las siguientes medidas:

1. Revisiones periódicas de todos los circuitos. Para reducir las pérdidas en los ór-ganos de control de circuitos de aire comprimido, que pueden llegar a alcanzar el 20-30% de la potencia consumida en compresores, lo cual supone un 10% del consumo en las industrias cementeras.

2. Instalación de variadores de frecuencia para el accionamiento de los motores de ventiladores y los equipos de mayor potencia y utilización. Muchas empresas incorporan convertidores de frecuencia en los motores de sus bombas, ventiladores, molinos, etc. El objetivo es ajustar de forma continua y automática la velocidad de giro del motor a la carga del equipo (material cargado en el molino, caudal de aire a vehicular.

En general, en un motor trifásico, se usan medios mecánicos (válvulas, derivación, arranque-parada) para adaptar el par pero el consumo no se reduce, pues el motor siempre consume la misma potencia, lo que conlleva un derroche de energía.

Figura 2. Comparativa de Curvas de Potencia de los equipos sin (*) y con Variadores de Frecuencia

(REVEM).

Curva roja: Regulación mediante reciclo.Curva amarilla: Regulación mediante “todo/ nada”.Curva azul: Regulación mediante estrangulación de la aspiración o de la impulsión.

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Se pretende así reducir las pérdidas de energía que tienen lugar en las válvulas que suele existir a la salida de los equipos que accionan el motor: pues usualmente éste siempre consume la misma potencia, ya que la regulación de capacidad del equi-po se hace mediante esta válvula que estrangula el caudal de aire, el caudal de líqui-do, etc. En consecuencia el exceso de electricidad consumida se pierde en fricción.

Hay varios fabricantes de este tipo de convertidores de frecuencia, de tipo electróni-co, que realizan esta labor de forma automática, según un autómata que se programa previamente. Los ahorros de electricidad que estos equipos permiten conseguir son del orden del 25 ÷ 30% del consumo actual de electricidad. Incluso puede ser igual o supe-rior al 30%, para motores de elevada potencia eléctrica y una gran utilización anual.

Con estos ratios se suelen presentar períodos de amortización simple de la inver-sión, inferiores a un año, para motores grandes. Todo ello, dado que se evita consumir electricidad innecesaria, con un coste de compra elevado.

En el caso de bombas y soplantes el par motor es proporcional al cuadrado de la velocidad de giro y la potencia va con el cubo de este parámetro. Por ello, una pequeña reducción de la velocidad de giro del motor puede representar un ahorro importante.

Para cuantificar el ahorro que se puede obtener con esta medida, se estudia el caso del motor de un molino, de 5.442 CV (4.000 kWe). Se estima que el ahorro esperado al introducir un variador de frecuencia, será al menos del 30% del consumo actual. Enton-ces, la reducción de potencia eléctrica media demandada viene dada por:

• Reducción de potencia demandada = 0,30 x 5442 x 0,735 x 0,70 = 840 kWe (se supone que se utiliza, en media, el 70% de la potencia nominal)

Figura 3. Diagramas de Potencia y Par frente a la velocidad.

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Así, el ahorro de electricidad esperado sería de:

• Ahorro eléctrico = 840 x 6450 h/año. = 5.418.000 kWh/año.

Entonces, la reducción del consumo de electricidad asociado a la introducción de un variador de velocidad en el motor del molino, implicaría un ahorro de energía eléc-trica de 5.418.000 kWh/año si suponemos que esta electricidad se está generando en una central térmica de combustible convencional, con un rendimiento en la generación y transporte del 35%, se tendría un ahorro de energía primaria igual a:

El precio del variador de frecuencia es de 62.000 €, y el ahorro económico, obteni-do con el precio de la energía eléctrica que se deja de consumir, es de 173.376 €/año, que supone un plazo de retorno simple de la inversión inferior a cinco meses.

3. Implantación de deflectores a la entrada de la máquina centrífuga que ponen el fluido en rotación y disminuyen el trabajo a suministrar por el rodete de la máquina. Esta medida supone un ahorro energético entre el 15-25% del consumo eléctrico en el equipo.

4.2.2. AJUSTE Y CONTROL DE LOS PARÁMETROS DE COMBUSTIÓN

Es necesario destacar la importancia de un adecuado control de los parámetros que regulan la combustión que tiene lugar en el horno en las industrias cementeras y de producción de yesos, escayolas y cal. En estos tipos de industrias, como ya se ha analizado, se utilizan, como fuentes de energía térmica, diferentes tipos de combus-tibles de muy diversa índole y propiedades. Sería por tanto muy conveniente instalar

Energía Primaria ahorrada =

Figura 4.Optimización de un

Generador de Calorajustando el exceso de aire.

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autómatas que controlen la optimización de los parámetros de combustión mediante un analizador en continuo de los humos, con el fin de poder ir regulando la mezcla mas conveniente en el mechero (quemador del horno).

El analizador mide de forma continua y automática la composición de los humos; el autómata compara el valor de la temperatura de humos, %O2, %CO2 y ppm CO con los valores óptimos teóricos para cada régimen de funcionamiento del horno, según el algoritmo de control que se le haya implementado, y actúa corrigiendo y ajustando automáticamente el ratio aire/combustible, de manera que en todo momento el rendi-miento de generación sea máximo.

El ahorro que es posible conseguir en el sector mediante la implantación de esta medida asciende a 13.490,87 tep PCI.

4.2.3. SUSTITUCIÓN DE MOTORES POR OTROS DE ALTO RENDIMIENTO

Esta es una medida que permite obtener grandes ahorros, ya que en el sector, existen motores de elevada potencia, (molinos, extractores) que superan con frecuen-cia los 3.500 kW. El comportamiento para motores de elevada potencia es similar al de los motores convencionales (ver figura 5).

En motores grandes, la mejora es inferior al 1%, pero en este caso, el coste del equipo es muy cercano al convencional, por lo que es rentable realizar una inversión algo mayor y adquirir un motor de alto rendimiento. Los motores que experimentan una mayor mejora son lo motores de hasta 15 kW, en los cuales, se pueden conseguir mejorar el ren-dimiento hasta un 7%.

El ahorro eléctrico que es posible conseguir con la sustitución de es-tos motores se encuentra comprendido entre el 2 y el 7% del consumo ac-tual en motores en todo el sector y asciende a 46.271.688 kWh que equi-valen a reducir el consu-mo de una central térmica en 11.369,61 tep PCI. Figura 5. Rendimiento de motores según la potencia.

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4.2.4. MEJORAS EN ILUMINACIÓN

La instalación de sistemas de iluminación supone un ahorro cercano al 0,05-0,1%, debido a la baja incidencia energética asociado a los sistemas de iluminación en estas industrias.

Esto supone en la totalidad del sector una reducción del consumo cercana a 510.700 kWh al año, que se traducen en dejar de consumir en una central térmica de carbón, suponiendo un rendimiento del 35%, 125,49 tep al año.

4.2.5. OPTIMIZACIÓN DE LA OPERACIÓN DE LOS HORNOS

Se indican a continuación las variables de operación que pueden ocasionar pérdi-das energéticas en el horno, así como las medidas que se suelen llevar a cabo para reducir estas pérdidas.

MOTIVO DE LA PÉRDIDA MEDIDA CORRECTORAExceso de aire elevado - Disponer de analizadores de O2 en humos, que hagan

al equipo operar con el valor mínimo necesario para no producir inquemados.

- Regular bien el tiro de la chimenea del horno.- Controlar automáticamente la combustión.

Temperatura de humos excesiva

- Comprobar el funcionamiento de los sopladores.- Limpiar periódicamente las zonas convectivas.- Instalar precalentadores humos-aire de combustión,

humos-carga, etc.- Sustituir tubos lisos de zona convectiva por tubos con

aletas.

Radiación por paredes: pérdidas por transmisión elevadas

- Mejorar el refractario.

Combustión defectuosa - Mejorar la viscosidad y la temperatura del combustible.- Limpiar y regular los quemadores.- Vigilar el funcionamiento del fluido de atomización.

Producción de inquemados - Revisar los quemadores o cambiarlos.- Aumentar el exceso de aire.- Precalentar el aire de combustión.

Entradas parásitas de aire - Cerrar las mirillas de observación.- Vigilar la estanqueidad.

Con la aplicación de estas medidas correctoras, se puede reducir el consumo de combustible en un 5%, representando un ahorro para el sector de 28.904,20 tep PCI.

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4.2.6. MEJORA DEL AISLAMIENTO

La cuantificación que se realice de esta medida depende en gran parte de la inversión que se desee realizar. Hemos de indicar que una gran parte de las pérdidas que tienen lugar en el horno son debidas a las elevadas temperaturas y al movimiento del aire en las paredes exteriores del mismo. Los aislamientos varían con el tamaño de la torta de material que se produce en las paredes del refractario dentro del horno y que puede deteriorar este al desprenderse, produciendo rosetas, en las cuales, las pérdidas son muy importantes.

El material que se acumula en el interior del horno, va variando de espesor y por un lado disminuye la sección útil del mismo, pero por otro lado proporciona un recu-brimiento que le permite tener una mayor vida útil. En algunas ocasiones, cuando el refractario se deteriora por el desprendimiento de la torta de material producida en su interior, se puede apreciar exteriormente el deterioro; para atenuarlo, se sitúan venti-ladores que enfrían la superficie exterior en la zona afectada. Esta acción provoca que el tamaño de la torta interior aumente nuevamente, produciéndose una capa aislante que salvaguarda la integridad del horno y que aumenta la vida útil del mismo.

También resulta interesante analizar otros equipos y redes que permitan ser calo-rifugadas con el fin de ahorrar en los mismos el combustible necesario para calentar los fluidos y que en caso de no estar calorifugadas supondría un consumo innecesario de dicho combustible.

El ahorro que se puede obtener mediante una mejora en el aislante es de un 3÷5% del consumo actual en el horno, lo que supone unos 23.123,36 tep PCI.

4.3. MEDIDAS DE AHORRO VERTICALES

Se recogen a continuación una serie de medidas que fomentan el ahorro de las plantas de elaboración de Clínker, Cemento, Escayolas, Yesos y Cal. Se diferencia del apartado anterior, en que este tipo de acciones, que a continuación se plantean, son de carácter específico de este tipo de industrias.

4.3.1. EXTRACCIÓN Y PREPARACIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS

Debido a la gran variedad de métodos de explotación, es difícil realizar conclu-siones prácticas que tengan como objetivo un menor consumo combustible y de ex-plosivos. Si se homogeniza mas la materia prima al ser extraída, el coste energético de este apartado se ve incrementado, pero al mismo tiempo, se disminuye el coste energético en la posterior fase de molienda, necesaria para conseguir que el horno trabaje de forma mas homogénea y por lo tanto mas eficientemente. Se hace necesa-rio realizar un equilibrio entre la disminución del coste energético en la molienda y el coste de abrasión de la maquinaria, normalmente de gran inversión.

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Los ahorros que se consideran desarrollables con unas medidas adecuadas en la extracción y la preparación de las materias primas, pueden llegar a suponer un ahorro del 1÷3 % del consumo eléctrico en los equipos, lo que implica un ahorro de 5.474.156 kWh que supone dejar de consumir en una central térmica 1.345,08 tep PCI de Ener-gía Primaria.

4.3.2. DISMINUCIÓN DE LA TEMPERATURA DE CLÍNKERIZACIÓN

Energéticamente interesa que la reacción de clinkerización tenga lugar a la menor temperatura posible y que sea una reacción rápida. La temperatura puede reducirse aportando una mezcla muy fina y homogénea.

Esta medida produciría un mayor consumo energético en la molienda. Para reducir este consumo se emplean sustancias fundentes y mineralizantes. Con las sustancias fundentes, se rebaja la temperatura mínima necesaria para la formación de la fase líquida y se aceleran las reacciones, pero como inconveniente se produce un aumen-to de la viscosidad. Con los mineralizadores, se favorece la reacción con la cal libre incluso sin necesidad de fusión.

El principal problema de estos aditivos son sus elevados costes. Mas normales son los usos de otros aditivos en función de usos especiales que les dan al hormigón características tales como:

Más rápida resistencia.Aceleración o Retardo del fraguado.Reducción del agua.Súper fluidificación.Hidrofugación (Repulsión del agua).

Esta medida, permite obtener un ahorro cercano al 2,5 % del combustible utilizado en el horno, lo que suponeun ahorro de 11.561,68 tep y un consumo eléctrico adicional en la molienda de 1.677.750 kWh. Este consumo eléctrico supone un consumo adicio-nal de energía primaria en una central térmica convencional de 412,25 tep PCI. Por lo tanto, el ahorro global que se puede obtener con la implementación de esta medida asciende a 11.149,43 tep PCI.

4.3.3. MEJORAS EN EL ENFRIAMIENTO DEL CLÍNKER

Mejoras en los enfriadores de parrilla

Hasta hace pocos años se pensaba que para obtener un producto con las especi-ficaciones adecuadas, era necesario enfriar el clínker rápidamente y ello se hacía con

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aire frío inyectado en contracorriente. Hoy en día se ha demostrado que esto no es así y que se puede realizar un “enfriamiento paulatino”. Así, la tendencia actual es instalar enfriadores de parrilla que resultan ser mas eficientes.

Las mejoras en la recuperación de calor implican aumentar los enfriadores ya que un menor gradiente térmico supone una menor transmisión de calor.

Un enfriamiento lento favorece el crecimiento de los minerales del Clínker, lo que debe de controlarse con el fin de no exigir un consumo eléctrico adicional en la poste-rior molienda.

Con este tipo de enfriador, se consiguen ahorros energéticos de 50 kcal/kg de Clínker en comparación de un enfriador satélite. Adicionalmente, una de las principa-les ventajas de este tipo de enfriador es la fácil sustitución de las piezas dañadas, así como la facilidad para la limpieza del mismo, que permite reducir el número de limpie-zas manuales por incrustaciones en la cámara de humos y en el conducto ascendente al horno a una o dos intervenciones semanales, con el consiguiente ahorro energético al reducir las paradas en el proceso.

Mejora en el enfriamiento mediante utilización de un lecho fluido.

El enfriador de cuba vertical es un enfriador de lecho fluido (ver figura 7), que apro-vecha totalmente el aire como aire secundario.

El lecho fluido se sitúa sobre unos rodillos a través de los cuales se pasa el Clínker hacia una salida inferior en la que se sitúa una machacadora. El Clínker sale a unos 200 ó 300ºC y el aire secundario sale a unos 900 ÷ 1.000ºC

Figura 6. Montaje de enfriador de parrilla.

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El rendimiento térmico de este tipo de enfriadores se sitúa por encima del 90%.

El principal problema que poseen estos equipos es tener un elevado consumo eléctrico en los ventiladores que han de proporcionar el caudal de aire necesario para mantener la ma-teria prima en suspensión.

El ahorro térmico que se puede obtener es de 27.562,11 tep, mientras que el consumo adicional que se espera en los ventiladores de impulsión su-pone un consumo adicional de 4.379.419 kWh lo que supondría un consumo adicional de ener-gía primaria en una central de generación de 1.076,09 tep PCI. Por tanto, el ahorro global que se puede conseguir con la implantación de esta medida es de 26.486,02 tep PCI.

4.3.4. MEJORAS EN EL CONTROL DEL HORNO

Esta es una medida que puede aplicarse en la mayoría de los hornos que configu-ran el sector aunque se va a describir para el caso de hornos de clínker que son los mas representativos y con mayores consumos.

Esta medida se divide en la actualidad en tres grandes actuaciones:

• Predicción online de cal libre.• Procesador de Imagen Digital.• Control de Proceso Adaptable Basado en Redes Neuronales.

Con estas medidas, se persigue realizar un control instantáneo del funcionamiento del control del horno y con ello una mejora en la eficiencia energética del mismo.

Con estas tres actuaciones, se puede obtener una reducción en los costos de producción consiguiendo:

• Estabilizar la operación del horno. • Una calidad constante del producto fluido.

Figura 7. Enfriador de cuba vertical.

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• Una reducción del consumo de combustibles primarios. • El incremento en el uso de combustibles secundarios. • El incremento en la disposición del horno. • El incremento en la productividad. • La reducción de emisiones. • La reducción de los costos de mantenimiento y reparación.

Para ello, se realiza una gestión de la información inteligente del proceso complejo que tiene lugar en el horno.

Estos objetivos se consiguen mediante una observación del proceso a través de una termografía que refleja la distribución de temperaturas en la zona de sinterización y que permite analizar la temperatura en las zonas seleccionadas. Asimismo, analiza el contenido en cal libre y otras propiedades instantáneamente, con lo que el operario o el propio sistema pueden actuar sobre los parámetros del horno, como son com-bustible introducido, cantidad o propiedades de estos combustibles o aire en exceso introducido en el horno. Así se hace trabajar al horno en un punto cercano a su límite técnico y económico.

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En el momento en el que el horno comienza a desestabilizarse, lo cual se indica por la variación en el contenido de cal libre (ver figura 8) el sistema avisa o actúa, permitiendo así que las propiedades del producto y las condiciones de generación en el horno sean muy constantes.

El sistema puede convertirse en experto añadiendo el software necesario, con las siguientes características:

• No hay necesidad de re-aprendizaje o re-ingeniería adicional del modelo des-pués de cambios en el proceso.

• No necesita re-ingeniería/ servicio de post-venta con modelo de aprendizaje.• Información del proceso adicional vía el Procesador de Imagen Digital.• Posibilidad de introducir un circuito de control cerrado.• Es una herramienta fácil de instalar y de utilizar.• Es un enfoque estadístico objetivo, sin necesidad de tener un conocimiento

experto subjetivo.

Los resultados obtenidos en las más de 20 empresas instaladas, a lo largo de todo el mundo, son muy uniformes y toman los siguientes valores:

• Ahorro del 5% del combustible en el horno.• Incremento del uso de los combustibles secundarios.• Optimización en la calidad del Clínker.• Aumento de la vida del refractario al suavizar la operación en el horno.

Se muestra a continuación un esquema representativo del funcionamiento del con-junto del equipo con todos los módulos, facilitado por la empresa POWITEC y su filial en España IBERTEC.

Figura 8. Esquema de funcionamiento del sistema de control.

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La inversión necesaria para la implantación de un sistema completo, de estas ca-racterísticas, asciende a unos 150.000 € para un horno de 350.000 toneladas / año y supone un ahorro económico en torno a 220.000 €/año, repartidos en los siguientes conceptos.

(1) Ahorro de combustible primario. 90.000 € (2) Uso de combustibles secundarios. 50.000 € (3) Aumento del rendimiento. 50.000 € (4) Aumento de la vida del refractario. 30.000 €

Con lo que se puede conseguir un retorno simple de la inversión menor de un año.

4.3.5. TECNOLOGÍA DE LECHO FLUIDIFICADO

Esta nueva tecnología en la producción del Clínker consiste en conseguir un lecho fluidificado en el horno. Una planta piloto de 20 toneladas de Clínker al día, estuvo funcionando con carácter experimental en Japón desde 1989 hasta 1995 consiguien-do unos excelentes resultados que fomentaron la construcción de una planta de 200 toneladas de Clínker al día; el esquema adjunto recoge el proceso que tiene lugar en la planta de Tochigi de la compañía Sumitomo Osaka Cement.

Planta de lecho fluido de 200 t/d (Tochigi).

(SC) Precalentador en suspensión. (FCK) Lecho de sinterizado en el horno.

(FBQ) Lecho de enfriamiento en el horno. (PBC) Enfriador y empacador de lecho fluido.

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En este esquema pueden observarse las diferentes partes que componen el pro-ceso:

Figura 9. Esquema de planta de Tochigi.

La suspensión se precalienta en una torre de ciclones conven-cional con precalentador de cuatro fases donde el crudo es precalen-tado y calcinado. Una vez comen-zado el proceso de calcinación, el crudo pasa al lecho de granula-ción, donde se consiguen granos de 1,5 ÷ 2,5 mm de diámetro a una temperatura de 1.300 ºC.

En el lecho fluido, el proceso de sinterización de los granos se completa a una temperatura cer-cana a los 1.400 ºC, para pasar a continuación a un lecho de enfria-miento, donde el Clínker es rápida-mente enfriado de 1.400 a 1.000 ºC. Finalmente, el Clínker se enfría a 100 ºC en otro enfriador.

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El Clínker producido en el sistema de lecho fluido es de la misma o mejor calidad que el obtenido en una planta convencional. La emisión de NOx de este tipo de pro-ceso es de 115 -190 mg/m3 si se realiza uso de combustibles de origen petrolíferos pesados y de 440 -515 mg/m3 cuando el carbón pulverizado es usado como combus-tible.

Los consumos de una planta de lecho fluido y una con un horno rotatorio conven-cional, vienen recogidos en la tabla 6.

Tabla 6. Comparativa de tecnologías de horno rotativo y de horno de lecho fluido.

CONCEPTO Horno Rotativo Lecho Fluido

Periodo anual de funcionamiento (días/año) 330 330

Energía térmica consumida (tep / t clínker) 0,09483 0,0716

Energía eléctrica consumida (kWh / t clínker) 90,1 99,0

Caudal de salida de Gases (Nm3 / kg clínker) 1,46 1,49

Consumo global de Energía Primaria (tep / t clínker) 0,11697 0,09592

Ahorro Global de E.P. (tep / t clínker) 0,002104

Puede apreciarse que en el nuevo sistema planteado, el consumo térmico dismi-nuye al mismo tiempo que el consumo eléctrico aumenta, debido al mayor consumo en ventiladores.

Considerando el balance global de energía primaria, se puede apreciar que el resultado de la aplicación de esta tecnología, puede suponer un ahorro cercano a 2,104 termia / t de clínker, que para la producción anual andaluza de 8.775.000 toneladas de cemento o 5.512.421 toneladas de clínker del año 2003 supondría un ahorro de 111.779,45 tep / año, o un 17,3% de la energía primaria (644.802,96 tep) actualmente consumida en la elaboración de clínker en Andalucía. La reducción de las emisiones es proporcional al combustible ahorrado.

Los objetivos que se pueden conseguir con este tipo de tecnología son:

1. Reducción del 10 -20 % del calor que es necesario consumir en el horno. 2. Reducción del 10 -20 % de las emisiones de CO2. 3. Una emisión de NOx de 380 mg/m3 o inferior. 4. Mantenimiento de las emisiones de SOx. 5. Reducción en los costes de las instalaciones en un 30%. 6. Reducción en las necesidades de espacio de la instalación en un 30%.

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4.3.6. APROVECHAMIENTO DE LOS CALORES RESIDUALES

Esta medida podría estudiarse como una medida horizontal pero en este sector cobra la suficiente importancia y especificación como para estudiarla por separado como medida de carácter vertical, ya que es muy típica en este tipo de empresas.

Los humos o productos de la combustión de un horno contienen una considerable energía, dado el gran nivel de temperatura al que tiene lugar la transformación endo-térmica. Es lógico ahorrar costos recuperando parte de esta energía, bien en el mismo horno o en otras etapas del proceso donde se pueda utilizar. El objetivo es aumentar la eficacia energética global del horno o del proceso.

Por otro lado, no todo el calor es recuperable, dependiendo principalmente de las temperaturas de salida y del contenido de azufre proveniente del combustible o de la carga del horno.

El descenso de esta temperatura por debajo de ciertos valores, que podemos si-tuar entre los 150 y 200ºC, presenta ciertos problemas tales como la corrosión de las superficies metálicas por punto de rocío ácido de los humos, para combustibles que contengan azufre, como el fuel, el coque, neumáticos, etc. También conseguir una baja temperatura implica grandes superficies de transmisión de los intercambiadores, lo que podría resultar de difícil justificación económica y provocaría problemas de tiro en las chimeneas.

Existen diferentes posibilidades de recuperar el contenido energético de los hu-mos y utilizarlos para generar vapor, generar electricidad, calentar agua, precalentar los productos que entran en el horno, secadero, u otros usos.

El aprovechamiento de este calor puede emplearse para:

a) Precalentamiento de la carga. Se efectúa un precalentamiento previo en hornos continuos. Es interesante su diseño como parte integrante del horno.

b) Ciclo orgánico de Rankine para producción de electricidad. Los costes de inversión son elevados y se alcanzan periodos de retorno elevados, es necesario disponer de caudales de humos elevados.

b) Producción de vapor, agua sobrecalentada o aire caliente. Es interesante siempre que éstos sean necesarios realmente: la inversión inicial de la recuperación no se justifica de no ser así.

c) Calentamiento del combustible.

d) Precalentamiento del aire de combustión: es el esquema de recuperación más interesante, ya que utiliza el calor recuperado directamente en el proceso que lo ha producido y requiere menor adaptación del horno existente.

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Existen diversas técnicas de aprovechamientos de calores residuales de los hor-nos de proceso en el sector. Los hornos de escayola, cal y yeso, con una temperatura mas moderada a la salida que la existente en los hornos de cemento, permiten acon-dicionar el aire de entrada en el horno precalentándolo o calentar la materia prima en una fase anterior al propio horno, con lo que el consumo de combustible que es necesario invertir en el proceso de calentamiento se reduce.

A continuación se representan diversos tipos de recuperadores de calor. Hemos de comentar que los humos a la salida de los hornos suelen arrastrar partículas, lo que limita el tipo de recuperador que se puede usar. En el caso del cemento, este pro-blema está muy estudiado y en la mayoría de los casos se utilizan electrofiltros para retener las partículas antes de la salida de los gases.

Figura 10. Diferentes tipos de recuperadores de calor. (Cortesía de Kalfrisa).

El ahorro que es posible obtener con el uso de estos recuperadores es cercano al 10% del consumo de combustible actual en el horno de proceso que supondría un ahorro de 36.897,89 tep PCI.

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4.3.7. SEPARADOR DE ALTA EFICIENCIA

Este equipo, realiza una separación del clínker usual-mente más eficiente que la empleada y puede ahorrar hasta un 16% la energía consumida actualmente y supone una mejora en el rendimiento de la separa-ción de hasta un 25%.

Aunque los resultados de esta medida deben ser todavía contrastados con un mayor tiempo de funcio-namiento, las experiencias que se están llevando a cabo en diversas plantas que han incorporado este equipo son muy positivas y corroboran los porcentajes de ahorro aportados por el fabricante.

Físicamente el ahorro eléctrico obtenido se basa en una unificación de los componentes lo que minimiza el consumo al reducir las pérdidas de carga en los circui-tos y poder hacer mas eficiente la separación.

El ahorro eléctrico que es posible obtener con la instalación de esta medida ascendería a 12.206.612 kWh, lo que supone dejar de consumir en una central térmica 2.999,34 tep PCI de Energía Primaria.

4.3.8. CICLO ORGÁNICO DE RANKINE PARA PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD

Esta tecnología utiliza los calores residuales procedentes del horno y de la torre de ciclones, en el caso de las industrias cementeras, para producir energía eléctrica.

El sistema (Ver figura 12) recupera parte de la energía contenida en las corrientes gaseosas procedentes del electrofiltro antes de ser evacuadas, cediendo esa energía

Figura 11.Separador de Alta Eficiencia.

Figura 12. Esquema de ciclo orgánico de Rankine.

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El rendimiento global de la instalación de recuperación de calor para la producción de electricidad es del orden del 10÷20% de la energía recuperada de los humos.

La inversión que es necesaria realizar en los componentes del sistema es aproxima-damente igual a 800÷1.200 €/kWe; pudiendo alcanzar hasta 2.000 €/kWe para el caso de pequeños equipos.

El principal problema de este tipo de instalación es el elevado coste de la inversión, lo que acarrea periodos de retornos muy elevados, obte-nidos al evaluar el precio ac-tual de la compra de energía eléctrica para la industria, ya que el ahorro viene dado por la electricidad que se deja de comprar a la red, que en la mayoría de las industrias el sector tiene un bajo precio de compra. Hemos de considerar

al vaporizador del fluido orgánico que posteriormente pasa por la turbina para la pro-ducción de energía eléctrica. Para evitar problemas en los álabes de la turbina, estos deben de abandonarla en un estado previo a su condensación. Tras dejar la turbina, el fluido térmico pasa por un condensador donde cambia de fase (vapor - líquido) me-diante un enfriamiento. En este estado, su presión se eleva mediante una bomba, tras la cual, el fluido térmico pasa nuevamente por el vaporizador.

Recuperador de calor de planta de producción de electricidad mediante ciclo orgánico de Rankine.

Vista Nocturna de fábrica de cemento

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la reducción de las emisiones que se obtendrían como consecuencia de no tener que producir la energía eléctrica en una central térmica.

En general, la aplicación de esta medida permitiría instalar varias plantas de pro-ducción de electricidad con una potencia global en el sector cementero de 19.500 kWe, que supondrían un ahorro energía primaria en la producción de electricidad de 37.950,11 tep PCI.

4.4. AHORRO POTENCIAL DE ENERGÍA EN EL SECTOR

Teniendo en cuenta las medidas horizontales y las verticales, el ahorro potencial global de energía primaria en el sector es de 216.864,94, es decir, un 26,1% del con-sumo global de energía primaria del sector.

Tabla 9. Ahorros potenciales en el sector de las refinerías de aceite vegetal

MEDIDAS DE AHORRO HORIZONTALES EN EL SECTOR DEPRODUCCIÓN DEL CEMENTO, CAL, YESO Y ESCAYOLA

Ahorro combustible

(tep)

Diversificación combustible

(tep)

Ahorro eléctrico

(kWh)

Ah. EP total(tep PCI)

CONTROL DE PÉRDIDAS - - 116.000.000 28.502,86

AJUSTE Y CONTROL DE LOS PARÁMETROS DE COMBUSTIÓN 13.490,87 - - 13.490,87

SUSTITUCIÓN DE MOTORES POR OTROS DE ALTO RENDIMIENTO - - 46.271.688 11.369,61

MEJORAS EN ILUMINACIÓN - - 510.700 125,49

MEJORA DEL AISLAMIENTO 23.123,36 - - 23,123,36

(1) TOTAL MEDIDAS HORIZONTALES 36.614,23 - 162.782.388 76.612,19

MEDIDAS DE AHORRO VERTICALES EN EL SECTOR DEPRODUCCIÓN DEL CEMENTO, CAL, YESO Y ESCAYOLA

EXTRACCIÓN Y PREPARACIÓN DE LAS MATERIAS PRIMAS - - 5.474.156 1.345,08

DISMINUCIÓN DE LA TEMPERATURA DE CLINKERIZACIÓN 11.561,68 - -1.677.750 11.149,43

MEJORAS EN EL ENFRIAMIENTO DEL CLINKER 27.562,11 - -4.379.419 26.486,02

MEJORAS EN EL CONTROL DEL HORNO 27.047,22 - - 27.047,22

TECNOLOGÍA DE LECHO FLUIDIFICADO 115.998,66 - -49.060.547 111.779,45

APROVECHAMIENTO DE LOS CALORES RESIDUALES 36.897,89 - - 36.897,89

SEPARADOR DE ALTA EFICIENCIA - - 12.206.612 2.999,34

CICLO ORGÁNICO DE RANKINE 37.950,11 - - 37.950,11

(2) TOTAL MEDIDAS VERTICALES 229.925,45 - -37.436.947 220.726,65

Potencial global de Ahorro (1) + (2) 186.065,77 - 125.345.440 216.864,94

26,1% del consumo de EP del sector

NOTA: En el cálculo del Potencial Global de Ahorro, se ha reducido la cantidad total obtenida, al considerar la interferencia de deter-minadas actuaciones y que en algunos casos, las medidas ya han sido implementadas.

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5. ASOCIACIONES EMPRESARIALES

OFICEMEN

Agrupación de fabricantes de Cemento en España.

www.oficemen.com

ATEDY

Asociación Técnica y Empresarial del Yeso.

www.atedy.es

CEPCO

Confederación de Fabricantes de productos del Construcción

www.cepco.es

AFCA

Asociación de Fabricantes de Cemento de Andalucía.

www.cementosdeandalucia.org

IECASUR

Instituto Español del Cemento (Delegación Sur)

www.iecasur.com

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