Oportunidad para la

optimización de los procesos

a través de la recuperación de

calores residuales

Sandra Catalina Navarro G.

Problema

• Eficiencia horno

Soluciones

• Recuperación de calores residuales

Propuesta

• Sales fundidas

Oportunidad para la optimización de los procesos

a través de la recuperación de calores residuales

Oportunidad para la optimización de los procesos

a través de la recuperación de calores residuales

Calentamiento y calcinación CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)

Reacciones de sinterización: C3S, C2S, C3A, C4AF

600-800°C

1450°C

Emisiones de CO2:

Combustible: 0.32 ton/ton clinker Calcinación: 0.54 ton/ton clinker

Adaptado de: Waste Heat Recovery for the Cement Sector, Institute for Industrial Productivity, IFC.

Tipo de horno

Consumo calórico

MJ/ton clinker MMBtu/ton

clinker Kcal/kg clinker

Húmedo 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

Seco–Precalentador 5 etapas + Calcinador + Enfriador Alta Eficiencia

3,010 2.85 719

Seco–Precalentador 6 etapas + Calcinador + Enfriador Alta Eficiencia

<2,930 2.78 699

Oportunidad para la optimización de los procesos

a través de la recuperación de calores residuales

Balance de energía típico: Referencia 20°C

Tomado de: The Cement Plant Operations Handbook, Fifth Edition.

49-56%

44-51% Pérdidas

Entrada Horno PC 4 Etapas,

kcal/kg clinker

Honor PC 5 Etapas + Calcinador,

kcal/kg clinker

Harina al horno 15 15

Combustible 835 735

Aire total 0 0

Total entrada 850 750

Salida Horno PC 4 Etapas,

kcal/kg clinker

Honor PC 5 Etapas + Calcinador,

kcal/kg clinker

Calor teórico de formación clinker 420 420

Evaporación agua 5 5

Gases de escape 210 151

Polvo en gases de escape 3 7

Aire exceso enfriador 115 85

Clinker 14 14

Radiación, Precalentador 35 40

Horno 45 25

Enfriador 3 3

Total Salida 850 750

Oportunidad para la optimización de los procesos

a través de la recuperación de calores residuales

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.

Oportunidad para la optimización de los procesos

a través de la recuperación de calores residuales 1

00

%

Ener

gía

Tota

l En

trad

a

Formación clinker 54.9%

Gases escape: 20%

Aire exceso enfriador: 12.8%

Radiación y convección: 3.1%

Pérdidas sin contabilizar: 5.4%

Humedad materia prima: 1.6%

Calor sensible clinker: 2.2%

Maximizar la eficiencia global del proceso del horno

Planta Harleyville - USA

Recuperación calores residuales

Planta Toluviejo - Colombia

Aire exceso del enfriador:

Gases precalentador:

250 – 340°C 80-130 kcal/kg clinker

300 – 400°C 180-250 kcal/kg clinker

Oportunidad para la optimización de los procesos

a través de la recuperación de calores residuales

Planta Cartagena - Colombia

¿Como se realiza hoy la recuperación y aprovechamiento

de los calores residuales en las plantas de cemento?

Secado Materias Primas y Combustibles – Sistema horno

Secado Materias Primas –Molino de Cemento

Aire caliente para la combustión – Aires secundario y terciario

Diseño del sistema horno

Producción

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

Cogeneración – Generación de electricidad

Ventajas

Reducir energía comprada/autogenerada

Confianza suministro energía

Protección contra aumento de precios de la electricidad

Limitaciones

Temperaturas: >300°C, >150°C

Eficiencias: 15 a 25%

Consumo de agua

Viabilidad económica:

Potencia neta generada

Valor electricidad desplazado

Legislación local Tomado 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

N°

Pla

nta

s

¿Cuáles son las nuevas propuestas en materia de

recuperación de calor residual para mejorar la eficiencia térmica

del proceso?

Planta Newberry - USA

Recuperación y aprovechamiento de

calores residuales en el proceso de clinkerización

Planta Rioclaro - Colombia

Sales Fundidas

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

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a través de la recuperación de calores residuales

Sal caliente Sal fría Torre

Generador de vapor y turbina

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

Prefactibilidad económica Planta Toluviejo - Colombia

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a través de la recuperación de calores residuales

Energía disponible

Oportunidad para la optimización de los procesos

a través de la recuperación de calores residuales

Línea 1

Corriente kcal/kg clinker %

Aire exceso enfriador 63.1 8.0

Gases sobrantes torre 7.9 1.0

Total 70.9 9.0

Línea 2

Corriente kcal/kg clinker %

Aire exceso enfriador 82.8 9.9

Gases sobrantes torre 29.9 3.6

Total 112.7 13.4

¿Cómo aprovechamos esta energía?

Oportunidad para la optimización de los procesos

a través de la recuperación de calores residuales

Aprovechamiento

Línea 1

Flujo (ton/h) 122

T actual (°C) 73

T obtenible (°C) 259

Línea 2

Flujo (ton/h) 140

T actual (°C) 73

T obtenible (°C) 369

Menor consumo calórico, menores

emisiones

Capacidad ventilador

tiro

Rediseño torre

Horno

Gases

Harina

Combustible

Clinker

Aire exceso enfriador

Sal fría

Sal Caliente

Aire exceso enfriador

Harina

Diseño conceptual

Sal fría Sal caliente

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a través de la recuperación de calores residuales

• Kcal/kg clinker

• Línea 1: 63 (8%)

• Línea 2: 112 (13%)

Disponible

• Kcal/kg clinker

• Línea 1: 50 (6%)

• Línea 2: 91 (11%)

Aprovechable • 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

Horno Inversión, USD$ VPN, USD$ TIR, %

Línea 1 2,544,961 -777,348 5.3

Línea 2 5,157,962 -1,245,184 6.7

Horno Inversión, USD$ VPN, USD$ TIR, %

Línea 1 2,544,961 77,320 13.4

Línea 2 5,157,962 811,591 17.1

Prefactibilidad económica

Considerando el ahorro en consumo combustible

Considerando el ahorro en consumo combustible + Beneficios Tributarios

* 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

¿Que sigue?

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a través de la recuperación de calores residuales

Pequeña escala - laboratorio

Escala piloto

Nivel industrial

Involucramiento:

Proveedores tecnología

Industria

cementera

GRACIAS