2.2.3 Cambios ocurridos en el proceso de clinkerización dentro del horno rotatorioLos cambios en el proceso de clinkerización se dan en base a las variaciones de temperaturadurante todo el proceso, es decir que cada proceso en la clinkerización depende de latemperatura en un momento dado, en la Tabla 1 se resume la ocurrencia de las reacciones yen el siguiente ítem se describen los cambios sucedidos de manera mas detallada.Tabla 1. Ocurrencia del proceso en función de la temperatura.TEMPERATURA PROCESO REACCIÓN100° C Evaporación de agua libre. Endotérmica>500° C Deshidratación de los minerales arcillosos. Endotérmica>800° C Liberación de CO2. Exotérmica>900° CCristalización de los productos mineralesdescompuestos.ExotérmicaDescomposición de carbonatos. Endotérmica.920° a 1200° C Reacción de CaO con los silicoaluminatos. Exotérmica1250° a 1280° CSe inicia la formación de líquidos. Endotérmica1280° a 1500° CFormación de líquidos y del los compuestos delclinker.Endotérmica2.2.4 Procesos físicos, mineralógicos y químicos en la cocción del clinkerPara fabricar clinker de cemento a partir de material crudo es preciso calcinar este hasta unatemperatura de 1450° C alcanzando así la sinterización o clinkerización. Durante elcalentamiento del crudo y particularmente a la temperatura de cocción tienen lugarimportantes procesos físico-químicos, tales como, la deshidratación del mineral de arcilla (eneste fenómeno influyen diversos factores, por ejemplo, el tipo de mineral arcillosos, lanaturaleza y cantidad de impurezas, el tamaño de las partículas, entre otros), ladescomposición de los carbonatos (expulsión del CO2, corrientemente llamada calcinación),reacciones en estado sólido y reacciones con participación de una fase líquida o fundida, asícomo cristalizaciones. Estos procesos se ven afectados sustancialmente, no sólo por factoresquímicos del crudo (composición química), sino también por factores mineralógicos(composición mineralógica) y por factores físicos (granulometría), homogeneidad y otros. Eltranscurso completo de estas reacciones representa un papel decisivo en la calidad delcemento resultante. En la Tabla 1 se presento un bosquejo de la ocurrencia del proceso, sinembargo para un mejor entendimiento esto se explica con más detalle:Secado: El agua libre (no combinada) presente como humedad en el crudo se desprende enun nivel de temperatura que alcanza hasta unos 200° C.Deshidratación de los minerales de la arcilla: A temperaturas comprendidas entre 100° y400° C, aproximadamente, los minerales de la arcilla ceden el agua absorbida, incluida el agualaminar. A temperaturas superiores dependiendo de los tipos de minerales arcillosos presentes en la arcilla, es decir, entre los 400° y 750° C se desprende también el aguacombinada químicamente en forma de grupos hidroxilos (deshidratación).En la deshidratación de las arcillas influyen diversos factores tales como el tipo de mineralesarcillosos, la naturaleza y la cantidad de las impurezas, el tamaño de las partículas y el gradode cristalización de estas.Descomposición de los carbonatos: El carbonato cálcico (CaO) contenido en crudo enproporciones comprendidas entre 74 y 79% en masa, se descompone (disociación,descarbonatación, calcinación) a temperaturas teóricamente iguales o superiores a 800° C,según la reacción:CaCO3 →CaO + CO

2 El carbonato de calcio se descompone a altas temperaturas en óxido de calcio y anhídridocarbónico. El anhídrido carbónico es un gas que escapa a través de la chimenea junto conotros gases provenientes de la combustión. La disociación comienza entre los 550 y 600° C.Reacciones entre fases sólidas:(a temperaturas inferiores a la de sinterización): Alcombinarse los productos de descomposición del carbonato de calcio con los de la arcilla seforma primero y preferentemente compuestos de menor contenido de cal.Ejemplo de esto son las siguientes reacciones:Cao-Al2O3+ 3CaO + Fe2O3 →4CaO-Al2O3-Fe2O3 Cao-Al2O3+ 2CaO→3CaO-Al2O3 Cao-SiO2+ CaO→2CaO-SiO2 Las reacciones entre sólidos transcurren muy lentamente, pero se pueden acelerar mediantela reducción del tamaño de partículas (aumento de la superficie específica) y el aumento de latemperatura de cocción.Reacciones en presencia de fase líquida-fundida: La primera formación de fase líquida(fundida), la cual indica el comienzo de la sinterización, o en el caso de la fabricación delcemento Clinkerización, tiene lugar a temperaturas comprendidas entre 1260° C a 1310° C,aproximadamente. Esta fase líquida va en aumento hasta los 1500° C. A estas temperaturas, yaes posible la formación del silicato tricálcico (C3S), constituyente principal del clinker.Al comienzo de la clinkerización, existen aún cantidades considerables de óxido de calcio sincombinar, junto con silicato dicálcico (C2S). En presencia de la fase líquida se disuelven el CaOy el C2

S, facilitándose dentro de ella la difusión de los reactantes y formándose el silicatotricálcico, según la siguiente reacción:CaO + 2CaO-SiO2 →3CaO-SiO2

Al considerar todo lo anterior se cumple el objetivo principal del proceso de clinkerización, elcual es la formación del valioso silicato tricálcico, que es el que influye favorablemente en eldesarrollo de las resistencias del cemento.Reacciones durante el enfriamiento: El enfriamiento, influye en el estado de cristalización,y a través del mismo en la reactividad de las fases del clinker, así como en la propia textura deéste. Un enfriamiento excesivamente rápido en todo el intervalo de temperaturas desde laclinkerización hasta la temperatura ambiente (templado), da lugar a disminuciones en lasresistencias del cemento. Por otra parte se ha observado aumentos de resistencia al someteral clinker a un templado corto. La velocidad de enfriamiento en la zona de temperatura máselevada, parece ser el factor más decisivo.2.2.5 Factores que influyen en el proceso de cocciónEl comportamiento de un crudo en la cocción depende básicamente de los siguientes factores:a. Composición química.b. Composición mineralógica.c. Granulometría.d. Condiciones de la cocción.La composición química de los crudos de alimentación a los hornos tiene una gran influenciaen el tiempo requerido para la cocción de los mismos. Se puede definir este tiempo como elnecesario para que, a una temperatura determinada, un crudo de finura prefijada se cueza ental medida que sólo quede en él un 2% de cal libre.La composición mineralógica influye en la aptitud de los crudos para la granulación y en lacantidad de agua necesaria para las pastas crudas. Los constituyentes mineralógicos del crudotambién modifican, entre otras cosas, el comportamiento del crudo en la cocción y el consumoespecífico de calor necesario para la misma.Las velocidades de las reacciones dependen en general del tamaño de las partículas, es decir,de las superficies reactivas disponibles, por lo cual la finura del crudo debe ser tal que en elproceso de cocción puedan reaccionar lo más completamente posible, incluso las partes másgruesas del mismo.La homogeneidad de un crudo es condición indispensable para obtener un clinker decomposición uniforme y para conseguir una marcha regular del proceso de cocción.2.3 TIPOS DE CEMENTOSi se conoce la composición de un cemento, se puede deducir su comportamiento, porejemplo, los cementos con alto contenido de C3S producen resistencia alta y la desarrollanrápidamente; si se desea producir un cemento de bajo calor de hidratación y resistencias a lossulfatos (tipo II), se disminuye el porcentaje de C3S y por consiguiente se aumenta el C2S, a lavez que se reduce el contenido de C

3A por adición de mineral de hierro para favorecer lamayor formación de C4AF.Los diversos tipos de cemento contienen las cuatro fases en diferentes proporciones. Lascantidades relativas de los cuatro componentes dependen de la selección y dosificación de lasmaterias primas, por ejemplo, si las materias primas no contienen hierro (C4AF) el cementoserá “cemento blanco”. Prácticamente la totalidad de los países han reglamentado las especificaciones físicas yquímicas que se deben cumplir para cada tipo de cemento. En el caso Colombiano, como engran cantidad de países crearon las normas con base a las establecidas por la “AmericanSociety for Testing and Materials” (ASTM), realizando ligeros cambios para adaptarlas anuestro medio. Estas normas son redactadas por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas(ICONTEC). En general se definen los siguientes tipos de cementos Pórtland, que se explican acontinuación:2.3.1 Portland tipo IEs un cemento normal, se produce por la adición de clinker más yeso. De uso general en todaslas obras de ingeniería donde no se requiera miembros especiales. De 1 a 28 días realiza 1 al100% de su resistencia relativa.2.3.2 Portland tipo IICemento modificado para usos generales. Resiste moderadamente la acción de los sulfatos, seemplea también cuando se requiere un calor moderado de hidratación. El cemento Tipo IIadquiere resistencia más lentamente que el Tipo I, pero al final alcanza la misma resistencia.Las características de este Tipo de cemento se logran al imponer modificaciones en elcontenido de Aluminato Tricálcico (C3A) y el Silicato Tricálcico (C3S) del cemento. Se utiliza enalcantarillados, tubos, zonas industriales. Realiza del 75 al 100% de su resistencia.2.3.3 Portland tipo IIICemento de alta resistencia inicial, recomendable cuando se necesita una resistenciatemprana en una situación particular de construcción. El concreto hecho con el cemento TipoIII desarrolla una resistencia en tres días, igual a la desarrollada en 28 días para concretoshechos con cementos Tipo I y Tipo II ; se debe saber que el cemento Tipo III aumenta laresistencia inicial por encima de lo normal, luego se va normalizando hasta alcanzar laresistencia normal. Esta alta resistencia inicial se logra al aumentar el contenido de C3S y C3Aen el cemento. Dado a que tiene un gran desprendimiento de calor el cemento Tipo III no sedebe usar en grandes volúmenes. Su resistencia es del 90 al 100%.2.3.4 Portland tipo IVCemento de bajo calor de hidratación se ha perfeccionado para usarse en concretos masivos.El bajo calor de hidratación de Tipo IV se logra limitando los compuestos que más influye en laformación de calor por hidratación, o sea, C3

A y C3S. Dado que estos compuestos tambiénproducen la resistencia inicial de la mezcla de cemento, al limitarlos se tiene una mezcla que gana resistencia con lentitud. Es utilizado en grandes obras, moles de concreto, en presas otúneles. Su resistencia relativa de 1 a 28 días es de 55 a 75%.2.3.5 Portland tipo VCemento con alta resistencia a la acción de los sulfatos, se especifica cuando hay exposiciónintensa a los sulfatos. Las aplicaciones típicas comprenden las estructuras hidráulicasexpuestas a aguas con alto contenido de álcalis y estructuras expuestas al agua de mar. Laresistencia al sulfato del cemento Tipo V se logra minimizando el contenido de C3A, pues estecompuesto es el más susceptible al ataque por el sulfato. Realiza su resistencia relativa del 65al 85 %.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMALos fabricantes de cemento son grandes consumidores de energía calórica que en general seconsigue con costes muy altos y continuamente crecientes, por esto no solo es necesarioreducir la demanda calórica, sino que también debe buscarse el punto óptimo de operación,que ha de ser coherente con los objetivos de productividad, calidad y acorde con los límitesexigidos por la normatividad ambiental de emisiones.Existen dos procesos para la producción de clinker, estas se clasifican en plantas húmedas yplantas secas. ARGOS planta Ríoclaro utiliza el proceso seco. Ambos procesos son complejos yrequieren una gran cantidad de energía, siendo la fuente principal del consumo térmico elcarbón. Cabe aclarar que el proceso seco es un sistema moderno que permite ahorrar casi el40% del combustible respecto al proceso húmedo [2].La transformación de las materias primas (caliza, arcilla, esquisto y mineral de hierro), enclinker (minerales cementosos sintéticos) dentro de un horno rotatorio consume unacantidad significativa de combustible, que para la planta Ríoclaro es de aproximadamente 500toneladas por día. De allí se deriva la necesidad de herramientas para una gestión óptima delos combustibles que intervienen en el proceso operativo de dichos hornos.Las necesidades del proceso son numerosas, a continuación se señalan las más importantes[2]:a. Regulación del equilibrio térmico del proceso.b. Determinación y control de las pérdidas calóricas más relevantes en el sistema.c. Mejoramiento de la química del clinker.d. Disminución en la concentración de volátiles.e. Control de las emisiones de contaminantes (SO2, NOx, etc.) al medio ambiente.f. Manejo de los limitaciones operativas sobre el consumo de combustible.g. Optimización de la cantidad de carbón enviada a cada horno y su adecuada distribución.h. Incremento de las eficiencias de los equipos.i. Decremento en los niveles de oxigeno en exceso.j. Conocimiento de aires falsos (aires parásitos) que ingresan al sistema.k.

 Orientación del proceso hacia una operación continua y eficiente.

Un balance másico y energético puede justificarse por las siguientes razones:a. Ensayo del comportamiento funcional del horno antes y después de una modificación.b. Consumo de calor anormalmente alto o datos anormales de horno operacionales.c. Campaña de optimización del horno.A pesar de que el consumo de calor podría determinarse por medición exclusiva de lapotencia calorífica del combustible y de la producción de clinker, un balance térmico completoofrece mucha más información, mayor seguridad en los resultados obtenidos y la consistenciade los datos medidos es mucho mejor, así el balance muestra claramente donde se consumecalor. En este sentido, un balance térmico es un sistema muy eficaz para la evaluación delrendimiento térmico del proceso.4. CLINKERIZACIÓN4.1  ANÁLISIS OPERATIVO DEL PROCESO DE CLINKERIZACIÓNEl proceso de clinkerización se define como la transformación de crudo (harina) en clinker yse cumple a través de operaciones de precalentamiento, descarbonatación, calentamiento,clinkerización y enfriamiento. Para ello el sistema cuenta con tres etapas unidas que son torreprecalentadora, horno rotatorio y enfriador [3].El proceso de clinkerización se inicia en el punto de ingreso de la harina a la torreprecalentadora. En esta se dan las operaciones de precalentamiento de la harina por mediodel contacto con gases provenientes del horno rotatorio a altas temperaturas y ladescarbonatación de la misma. El proceso se da en co-corriente. Una vez sale el materialprecalentado y parcial o totalmente descarbonatado de la torre, ingresa al horno rotatorio elcual cumple la función de reactor y transportador de material y en su interior se dan las fasesde calentamiento, clinkerización, nodulización y enfriamiento parcial; y se desarrollan trestipos de reacciones que son las de combustión, descarbonatación y clinkerización [3].El análisis individual de cada una de las operaciones y reacciones químicas permite conocermás a fondo el proceso. Así, la evaluación de cada una de las etapas consideradas en el sistemamediante los balances de masa y energía se efectúan en forma integrada con el proceso decombustión [4].4.1.1 Torre precalentadoraEl objetivo de la torre precalentadora es aprovechar el contenido calórico de los gasesprovenientes del horno hasta alcanzar el máximo grado de descarbonatación y el máximoaumento posible de la temperatura de la harina con el fin de aumentar la eficiencia en losprocesos del horno[4].En la Figura 3 se muestra el esquema de dos torres de intercambio a co-corriente. La primeratorre es la correspondiente a la línea 1, y la segunda torre es la correspondiente a la línea 2. Latorre de la línea 1 consta de 4 etapas de precalentamiento, las etapa se refieren a los ciclones de separación gas sólido que a su vez actúan como intercambiadores de calor, sin embargo enla primera etapa en lugar de haber un solo ciclón hay dos ciclones gemelos que poseen unaeficiencia mayor; en esta torre no hay un sistema de calcinación por lo que ladescarbonatación que se da en ella es solo parcial, el resto de la descarbonatación se da en elhorno. La línea 2 es diferente de la 1 ya que en esta hay 5 etapas de ciclones, un ciclón poretapa, y además cuenta con un calcinador encargado de proveer un gas mas caliente quepermita no solo calentar el material a una temperatura mayor, si no que también por mediode este es posible el total de

la descarbonatación de la harina en la torre, lo que da laposibilidad de manejar un horno rotatorio de longitud menor que el de la línea 1 y permiteuna mayor eficiencia del sistema.La harina que ingresa al proceso es alimentada en la unión que hay entre la primera y lasegunda etapa. En este sistema la harina que ingresa a unos 80° C debe calentarse hastaaproximadamente 900° C durante un tiempo de residencia en la torre de aproximadamente30 segundos[4].La harina alimentada en la corriente de gases proveniente del ciclón 2 conduce el material a laestación de cicloneo de la etapa I, donde es separada de los gases y cae por gravedad al flujode gases que asciende desde el ciclón III, con los cuales ingresa al ciclón II, así pasará en lamisma forma a través de las etapas III y IV y V (Línea 2), desde donde el material ingresa alhorno[4].(a) (b) Figura 3.Torres precalentadoras(a)Torre precalentadora de la línea 1.(b)Torre precalentadora de la línea 2

En este sistema se favorece el contacto entre la harina con los gases por medio de un sistemaen co-corriente que proporciona un mayor intercambio de calor entre estos, así la mayorparte de la transferencia de calor se realiza en los tubos de salida de gases de cada ciclón, loque equivale a aproximadamente el 80% y solo un 20% del intercambio calórico se da alinterior de los ciclones[4].Los gases que ingresan al precalentador a aproximadamente unos 1100° C salen por la partesuperior de la torre a temperaturas entre 300 y 360° C arrasando con ellos un 10% de lacantidad de la harina que es alimentada, lo que comúnmente se conoce como polvo delelectrofiltro, esto debido a que los gases con el polvo que los acompaña son llevados a unelectrofiltro donde se separan y posteriormente el polvo es recirculado al sistema[4].4.1.2 Hornos de proceso secoEl corazón de una planta de cemento es el horno rotatorio que es el lugar donde se llevan acabo las reacciones de sinterización para producir el clinker, materia fundamental delcemento. En la Figura 4 se muestra el esquema de un sistema de horno de proceso seco comoel de la línea 1 con las diferentes etapas de proceso que lo caracterizan. Estos hornos sonequipos que poseen cuatro funciones diferentes, la de reactor químico, la de generador decalor, la de intercambiador de calor y la de transportador de gases y sólidos.Figura 4. Esquema de un sistema de horno de proceso seco similar al dela línea 1 y las respectivas etapas del proceso.Al interior del horno se efectúan varias operaciones que involucran fenómenos físicos yreacciones químicas de naturaleza y características muy variadas. Desde el ingreso delmaterial, este cambia de estado físico, se disocia y recombina, se aglomera, se calienta y seenfría [5].El horno tubular rotatorio se impone en la producción de clinker por adecuarseperfectamente a la velocidad de avance y tiempo de permanencia del material en el proceso al interior del horno y a los

procesos de nodulización y clinkerización, que requieren un tiempoespecífico para completarse [5].Parte primordial del funcionamiento del horno se basa en la formación de fase líquida y denodulización. La formación de fase líquida se refiere a la fundición de compuestos que formandicha fase y que eventualmente permiten la aglomeración del material en nódulos. Esta partedel proceso es de vital importancia para la formación del clinker, ya que una correctanodulización del material influirá decisivamente en la calidad del producto. Una buenanodulización permite un clinker con mejor molturabilidad y cementos con cristalografía queproporcione mejores condiciones de hidratación y mejor desarrollo de resistencias [5].4.1.3 EnfriadorLa etapa final del proceso de clinkerización es el enfriamiento. El clinker producido en elhorno es enfriado en el mismo hasta la solidificación de la fase líquida y luego es pasado a unenfriador tipo parrilla. El enfriamiento del clinker en el enfriador tiene gran importanciadebido a que es en este proceso en el que se determinan las características finales del clinkeren cuanto a molturabilidad, resistencia mecánica y durabilidad química [2].El clinker sale del horno candente a una temperatura normalmente en el rango de1100 - 1400° C y pasa del horno al enfriador. La finalidad de un enfriador no es solo enfriar elclinker, si no también recuperar el calor y devolverlo al horno en forma de aire precalentadoprimario, secundario o terciario para el proceso de combustión. El clinker que sale delenfriador debe estar suficientemente frío para no dañar el equipo de manejo, particularmentelas bandas transportadoras de caucho.El sistema de enfriador de la Figura 5 posee una parrilla que se encarga de transportar elmaterial a medida que este es enfriado, debajo de la parrilla tiene varios compartimentos,recibiendo cada compartimento aire de enfriamiento de un ventilador independiente [2].Figura 5.Enfriador de parrillas.

5. COMBUSTIÓNEl proceso de combustión se define como la liberación de la energía química contenida en elcombustible, aportando a partir de la llama y los gases de combustión, el calor requerido parael proceso. La combustión en los hornos de cemento es de la mayor importancia, por cuantoinfluye directa e indirectamente en aspectos técnicos y económicos, tales como el costo delcombustible, la duración del refractario, las explosiones en el electrofiltro, entre otros [6].5.1  ANÁLISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN La combustión es una reacción química en la que los reactivos (combustibles y comburentes)desarrollan una reacción de oxidación exotérmica rápida, que por razones de economíarespecto al combustible debe ser completa, por lo que se debe trabajar con un cierto exceso decomburente (aire), pero de forma limitada para evitar perdidas de calor en los productos de lafabricación.Para efectos prácticos, los combustibles industriales son combinaciones variables de carbonoe hidrogeno con un contenido también variable de impurezas. En la Tabla 2 se muestran lasprincipales reacciones de combustión que se presentan en la práctica industrial, mostrandolos reactantes en la forma que se encuentran en la naturaleza y las cantidades de calorliberadas al transformarse en los productos finales de combustión [7].Tabla 2. Principales reacciones y calores de combustión.CarbonoC + O2 

→CO2 +97600 Kcal/KmolCarbonoC + 1/2O2 →CO+29400 Kcal/KmolMonóxido de carbonoCO + 1/2O2 →CO2 +68400 Kcal/KmolHidrogenoH2+ 1/2O2 →H2O+58200 Kcal/KmolAzufreS + O2 →SO2 +138600 Kcal/Kmol5.1.1 Control del exceso de aire ó aire falso en el sistemaEn la práctica industrial, siempre resulta necesario proporcionar un exceso de aire sobre elmínimo teórico necesario, para asegurar la combustión completa; esto es, la liberacióncompleta del contenido calórico del combustible.Un exceso de aire superior al aceptable se ve reflejado de diferentes maneras, algunas son [7]:a. La temperatura mas baja de la llama y de los gases disminuye la eficiencia de transferenciade calor en todo el sistema.b. La menor eficiencia de transferencia de calor significa que más combustible debesuministrarse para completar la clinkerización y obtener un producto con la mejorcalidad.

c. La mayor masa de gases de combustión, producto del mayor volumen de combustiblequemado, incrementa las pérdidas de calor con los gases de escape.Luego, en la medida que pueda reducirse la cantidad de exceso de aire utilizado, latemperatura de los gases será mayor y para iguales volúmenes de combustible serátransferido al material una mayor cantidad de calor. Ello permitirá disminuir el consumo decombustible y aumentar la producción y la calidad del clinker.5.2 COMBUSTIBLEEl combustible del horno es normalmente la parte más importante del costo de explotación deuna planta de cemento y, en un contexto mundial, el carbón ha sido siempre el combustible deuso más extendido. Esto se debe a que, sobre una base de costo por kilocaloría, suele sermenos costoso que el petróleo o el gas. Por

esto, las grandes toneladas usadas por una fábricade cemento hacen que sea económicamente viable instalar el equipo de manejo, de molienda yde quemado necesario [4].La combustión es la principal utilización actual del carbón desde el punto de vista del volumenconsumido. En un sentido amplio, el carbón se ha definido como una roca sedimentariacombustible, de origen orgánico. Este es un combustible sólido, no homogéneo, que contienemás del 50% en peso y más del 70% en volumen de material carbonoso [4].5.2.1  Análisis inmediato del carbónEl análisis inmediato del carbón se refiere al conocimiento de su contenido, que comprendeprincipalmente el carbón fijo, los materiales volátiles, las cenizas, el azufre, la humedad y elpoder calorífico [6].5.2.2  Análisis elementalEl análisis elemental se realiza para un conocimiento mas profundo del carbón. En esteanálisis son determinados los contenidos de C, H, S, N, O, humedad y cenizas. Como es unanálisis costoso, solo puede ejecutarse para la caracterización de un carbón nuevo, o paraidentificar causas de posibles problemas [6].6. BALANCES DE MASA Y ENERGÍALos balances másico y térmico del sistema de horno representan un factor fundamental eimprescindible para realizar cualquier actividad de análisis, evaluación u optimizacióncalórica en una fábrica de cemento. Por lo que en dicha industria, los balances térmicos hanllegado a ser sinónimos del propio proceso del horno. Esto quizás no es sorprendente ya queel proceso del sistema de horno toma la energía química almacenada en el combustible y laconvierte en energía térmica. Esta última por su parte proporciona la energía de precalentadoy da inicio para las reacciones de descarbonatación y clinkerización de los materiales altiempo que pasan por el sistema [8].

Sin embargo los balances másicos y térmicos pueden ser extendidos para incluir la moliendade cemento y crudo ó cualquier otra parte del sistema. No obstante el objetivo mas relevantedel presente proyecto se refiere a los balances de masa y energía que pretendan proporcionaruna evaluación del consumo calórico y su relación con la producción de clinker, por lo que elobjeto de estudio o volumen de control es representado por el sistema conformado por torreprecalentadora, horno y enfriador como se muestra en las Figuras 6 y 7. 6.1 BALANCE DE MASAEn principio, la base en la que se sustenta el método para realizar un balance de cualquier tipode proceso son las leyes termodinámicas de la conservación de masa y energía. Dichas leyesestablecen, que en la naturaleza, la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma [9].Para tomar en cuenta el flujo de material que entra y sale de un sistema con límites definidos,se plantea un balance de materia, que no es más que una contabilización de material. Esto sepuede expresar de la siguiente forma [9]:Acumulación = Entradas–Salidas + Generación–ConsumoFigura 6.Esquema del sistema de horno de la línea 1.

Figura 7.

Esquema del sistema de horno de la línea 2.En un sistema de proceso continuo como es el caso de un horno de cemento, la acumulaciónen cantidades significativas solo ocurre en estados de transición, ya sea cuando se modificanlas variables de control del sistema, tales como cambios en el caudal de combustible,alimentación, niveles de oxigeno, etc., o bien cuando las condiciones de operación del sistemase encuentran fluctuando, tal como cambios en el amperaje del horno, temperatura del aire desalida del enfriador, etc. Cuando el sistema presenta un estado con fluctuaciones significativasen las condiciones de operación, se dice que se encuentra en condiciones inestables, lo cualsignifica que esta en un estado fluctuante de masa [4].Por lo tanto, el balance de masa en un proceso continuo se debe efectuar cuando su operaciónpresente condiciones estables, en esta situación el sistema puede tener fluctuaciones en unpequeño rango con un promedio fijo y sin acumulación de material, así un balance de masa sepuede expresar a través de la siguiente relación [4]:Entradas + Generación = Salidas + Consumo6.2 BALANCE DE ENERGÍAEl balance de energía se realiza simultáneamente con el balance de masa, ya que ambos secomplementan. Así, el balance de energía, se puede plantear bajo los mismos términos delbalance de masa y se puede expresar para un proceso continuo en condiciones estables con lasiguiente relación [9]:Transferencia deenergía hacia el sistema+Generación de energíadentro del sistema=Consumo de energíadentro del sistema+Transferencia de energíadesde el sistemaEl balance de energía debe mostrar en detalle todos los procesos de utilización de calor y, enespecial, que procesos utilizan gran cantidad de calor y que procesos escasas cantidades de él,lo que mostrará los que requieren mayor atención, así como las pérdidas presentes en todo elvolumen de control.6.3 PROCEDIMIENTOEl procedimiento general comprende normalmente las fases siguientes:a. PreparaciónLa extensión de los trabajos por realizar depende de la integridad y fiabilidad deseada. Serecomienda un planteamiento y preparación cuidadosos. Es preciso aclarar los ítems básicossiguientes: ¿Qué deberá medirse (tipo y ubicación de medición / puntos de toma de muestras)? ¿Duración del ensayo? ¿Frecuencia de mediciones (registro continuo, mediciones de puntos, intervalos de tiempo,etc.)?Con las condiciones anteriormente mencionadas, es posible determinar el número depersonas requerido y el equipo de medición necesario. Puede resultar necesario disponer deun equipo para la utilización temporal, mientras que la instrumentación existente deberáverificarse y calibrarse cuidadosamente.La lista de verificación para una preparación de ensayo: Personas disponibles para el periodo de ensayo. Capacitación de las personas encaradas de cada ensayo. 

Tener a disposición formatos de apuntes necesarios para los registros manuales. Calibración y verificación de los equipos necesarios para cada ensayo (medidores de flujo,celdas para análisis de gases, termopares, etc.).b. EjecuciónUna condición previa importante para cualquier ensayo es un funcionamiento de horno sininterrupción. El ensayo solo deberá comenzar después de que el sistema haya llegado a estadoestable. Durante el ensayo es preciso evitar toda variación de parámetros de operación.También se recomienda verificar la integridad y la fiabilidad de las mediciones durante elensayo, ya que la falsa información o una información incompleta más tarde puede crearproblemas durante la evaluación final.c. EvaluaciónEsta es la fase que recibe la máxima atención ya que la evaluación de datos significa establecerun cálculo de balance másico y térmico de acuerdo con el principio: ENTRADA = SALIDA

d. DiscusiónUn buen balance térmico como tal, deberá aportar algunas conclusiones prácticas. Para estose pueden considerar los ítems siguientes: Consumo de calor aceptable Verificar si los ítems del balance térmico son normales para los sistemas del horno del casoconcreto. Analizar medidas destinadas a mejorar la economía de calor del sistema.Este último ítem puede constituir un trabajo amplio, que deberá considerar la factibilidadeconómica. Tales temas sin embargo se consideran fuera del alcance del presente documento.6.4 METODOLOGÍALa metodología consta de las siguientes etapas:a. Estudio del sistema.b. Desarrollo del algoritmo para la resolución matemática de los balances.c. Inspección de los puntos de medición.d. Inspección del estado de los equipos de medición.e. Comprobación del estado estable.f. Mediciones en planta y obtención de información.g. Desarrollo matemático de los balances de masa y energía.h. Análisis de resultados.6.4.1 

Estudio del sistemaPara el estudio del diagrama de flujo del proceso y abordar en primera instancia como se daráel acercamiento a la realización de los balances, se siguen en forma ordenada los siguientespasos:a. Definir el sistema y el volumen de control (Ver Figuras 6 y 7).b. Enumerar todas las entradas y salidas de masa y energía correspondientes al volumen decontrol seleccionado.c. Definir cada una de las características a tener en cuenta en los balances de masa y energíapara cada una de las corrientes o flujo enumerados en el punto anterior.d. Hacer una lista con la siguiente información:e. Datos a tomar en la sala de control.f. Datos a tomar de la red interna de calidad y clinkerización.g. Toma de muestras a enviar al laboratorio para ser analizadas.h. Mediciones a realizar en planta.i. Determinación de los puntos de muestreo.

6.4.2 Desarrollo del algoritmo para la resolución de los balancesPara hacer uso de un balance de energía, este se debe expresar en forma de ecuación. Cadatérmino del balance de energía se debe representar con símbolos matemáticos para podersimplificar debidamente las ecuaciones y luego realizar los cálculos necesarios. Este procesoes tedioso y complicado por la complejidad que representan los cálculos y relaciones de cadauna de las variables con los datos medidos, leídos o determinados experimentalmente.Para el desarrollo de cada balance debe realizarse un algoritmo que permita de manerapráctica ingresar solo la información requerida y sea entonces el programa por medio delalgoritmo diseñado el que se encargue de brindar de manera inmediata todos los resultadospara ser evaluados y sometidos a un posterior análisis.6.4.3 Inspección y habilitación de los puntos de mediciónEn la planta para realizar las respectivas mediciones que corresponden a los balances de masay energía deben estar habilitados y en buen estado cada uno de los puntos de medición. Paraello se programa con cierto tiempo de anticipación una inspección a cada uno de los puntos yse programan los arreglos correspondientes. Una vez estos están adecuados, se procede a laplaneación de los balances. En algunos casos no se disponen de todos los puntos de mediciónnecesarios, por lo que se requiere que al mismo tiempo que se hace la inspección de lospuntos ya instalados, también se habiliten nuevos puntos que permitan la realización de todasmediciones correspondientes al balance.6.4.4 Estado de los equipos de mediciónPara efectuar todas las mediciones necesarias se cuenta con una serie de equipos (Ver anexo1) que deben estar en buen estado a la hora de ser utilizados. Los equipos u objetos a los quehay que hacerle mantenimiento son: a. 

El analizador de gases; este cuenta con una serie de variables que deben ser chequeadasantes de iniciar cualquier medición, las principales a tener en cuenta son la bomba, lasceldas electroquímicas y la unidad de control.b. Las mangueras a utilizar en las mediciones de presión no deben presentar orificios ya queafectarían todas las mediciones mostradas por la unidad de control del medidor de gases.c. El tubo de pitot, este no debe presentar deformaciones ya que de su forma depende laconstante de operación del mismo, que a su vez influye en la información brindada por launidad de análisis del medidor de gases.d. La termocupla debe encontrarse lo menos corroída y limpia posible para que puedadetectar bien las señales, de lo contrario estas no serán reales.e. El medidor de temperatura debe encontrarse en buen estado, de manera que permitainterpretar bien la información generada por la termocupla.

f. El pirómetro, posee un láser que debe funcionar adecuadamente, así como el panel delectura.6.4.5 Comprobación del estado estableDurante el desarrollo de los balances másico y energético se establecen tiempos específicospara la toma las mediciones necesarias en los que se debe garantizar la estabilidad delproceso y el máximo rendimiento, con lo que a su vez también se garantizan resultadosóptimos que sean adecuados para el análisis correspondiente a cada balance realizado. Lostécnicos de sala de control son los encargados de este manejo durante la elaboración de lasmediciones correspondientes al balance.6.4.6 Mediciones en planta y obtención de informaciónInicialmente evaluarse que toda la información que debe ser obtenida de la red interna si seencuentre disponible, posteriormente se toma una lista de todas las mediciones que debenhacerse, y a continuación se procede a su realización.Las medidas a tomar son las siguientes:a. Toma de temperaturas superficiales en la torre precalentadora (a cada ciclón, la cámara dehumos, el riser y el calcinador), en el horno rotatorio y en el enfriador.b. Medidas de presiones dinámicas y presión estática, temperaturas de flujo y composicionesen todas las entradas y salidas de gases o aires que puedan ser medidas en planta (El únicoaire que no puede ser contabilizado es el aire falso ó aire parasito que ingresa por lasaberturas del sistema, el cual es indeseable y no tiene manera de ser medido).c. Toma de muestras para análisis. Para esto son llevadas las muestras al laboratorio endonde son analizadas y reportadas en la red interna de la empresa, en la que cadaprofesional que requiera la información tenga acceso a ella.En conjunto con todo el proceso de medición, en sala de control se toman cada hora un flashdel sistema, del allí se obtiene información y se verifican los datos ya medidos.6.4.7 Desarrollo matemático de los balances de masa y energíaLos balances se desarrollan por medio de procedimientos matemáticos; para esto se organiza,compara y analiza toda la información recopilada, y se introduce al

algoritmo diseñado para eldesarrollo matemático de los balances de masa y energía.6.4.8  Análisis de resultadosLa realización de los balances de masa y energía suministra información importante en cuantoa los consumos, gastos y pérdidas típicos propios de cada línea, y es por esto que cada balancerealizado refleja el comportamiento de un horno en diferentes tiempos, así por medio del balance es posible conocer y prever la influencia de diferentes variables como por ejemplo elconsumo de carbón que para el presente caso es la variable mas relevante.6.5 LOGISTICA DE MEDICIONES EN PLANTALos flujos se miden en un orden determinado, iniciando por los flujos de más fácil medición yfinalizando por los más difíciles. A continuación se especifica el flujo, las medicionescorrespondientes a cada flujo y los instrumentos necesarios:6.5.1 Polvo proveniente del electrofiltro:Se toma muestra de material para análisis en ellaboratorio y se mide temperatura. Se requiere bolsas, termómetro o termocupla.6.5.2 Harina alimentada al horno:Se mide temperatura de flujo. Se requiere termómetroó termocupla.6.5.3 Carbón alimentado al horno:Se mide temperatura de flujo. Se requiere termómetroó termocupla.6.5.4  Aire de enfriamiento:Se mide temperatura, presiones dinámicas y estática,velocidad de flujo. Se requiere termómetro ó termocupla y memocal, unidad de controltesto 350 para medición de presiones y velocidades, mangueras de conexión unidadde control-pitot, tubo pitot tipo L y llave de expansión.6.5.5  Aire primario:Se mide temperatura, presiones dinámicas y estática, velocidad deflujo. Se requiere termómetro ó termocupla, memocal, unidad de control testo 350para medición de presiones y velocidades, mangueras de conexión unidad de control-pitot, tubo pitot tipo L y llave de expansión.6.5.6  Aire de escape de enfriador:Se mide temperatura, presiones dinámicas y estática,velocidad de flujo. Se requiere termocupla y memocal, unidad de control testo 350para medición de presiones y velocidades, mangueras de conexión unidad de control-pitot, tubo pitot tipo S y llave de expansión.6.5.7  Aire terciario:Se mide temperatura, presiones dinámicas y estática, velocidad deflujo. Se requiere termocupla y memocal, unidad de control testo 350 para mediciónde presiones y velocidades, mangueras de conexión unidad de control-pitot, tubo pitot tipo S y llave de expansión.6.5.8

  Aire de transporte de carbón:Se mide temperatura, presiones dinámicas y estática,velocidad de flujo. Se requiere termocupla, memocal, unidad de control testo 350 paramedición de presiones y velocidades, mangueras de conexión unidad de control-pitot,tubo pitot tipo L y llave de expansión.6.5.9 Gases de salida de torre precalentadora:Se mide temperatura, presiones dinámicasy estáticas, velocidades y composición de gases. Se requiere termocupla, memocal,unidad de control testo 350, unidad de análisis testo 350, tubo pitot tipo S, manguerade conexión unidad de control-pitot, sonda de medición de gases con su respectiva conexión a la unidad de análisis, tubo de cobre para medición de presión estática entreciclones y llave de expansión.6.5.10 Otras medicionesAdemás de las mediciones ya especificadas, se realizan paralelamente:6.5.10.1 Superficie de torre precalentador, horno y enfriador:Se mide la temperaturasuperficial de los cascos de todos los ciclones de la torre incluyendo cámara dehumos y riser (línea 1) o calcinador (línea 2), horno rotatorio y enfriador (Folaxlínea 1 ó Coolax línea 2). Se requiere pirómetro para medición de temperatura sincontacto con el material.6.5.10.2 Clinker:Se mide la temperatura de clinker a la salida del horno y entrada alenfriador. Se requiere pirómetro para medición de temperatura sin contacto conel material.7. DEFINICIÓN DEL ALGORITMO7.1 BALANCE DE MASALa ecuación fundamental del balance de masa esta dada por:vacvahaexg peclk agcaghaf atcapaechmmmmmmmmmmmmmm 7.1.1 FLUJOS DEL BALANCE DE MASAAlgunos de los flujos que hacen parte del balance de masa y algunas propiedades de estos sonmedibles por medio de la utilización de equipos, sin embargo hay una serie de flujos ypropiedades que no pueden ser medidos debido a lo complejo del sistema o a la falta de unmedio de medición. Por esto, a continuación se da una introducción o explicación de cada unode los flujos y las mediciones correspondientes a cada uno de ellos.7.1.1.1 Harina.La harina alimentada al proceso se obtiene por promedio de la información recolectada ensala de control durante el tiempo del balance. La alimentación por hora se extrae de lasgraficas de sala de control donde se encuentran todas las tendencias de las mediciones quehacen los equipos permanentes del proceso y es posible verificar allí mismo si el sistema seencontró en estado estable durante el

procedo de medición. Cuando el sistema esta en estadoestable, para la línea 1 la alimentación se encuentra alrededor de 120 tph y para la línea 2 seencuentra alrededor de 140 tph.La humedad de la harina y las perdidas al fuego necesarias para el desarrollo de cálculosposteriores en el balance se obtiene por medio de análisis de laboratorio y la composición de la misma se obtiene por medio de un equipo QCX (Quality Control Xray) que informa de lacomposición de la harina alimentada al horno cada hora.7.1.1.2 Carbón.La determinación del carbón alimentado al proceso se realiza por medio de inventarios de pilaque realizan los profesionales de producción en un archivo llamado Pdn (Producción). Elcarbón seco neto alimentado al proceso es entonces el arrojado por el Pdn menos la humedady menos el factor de perdidas (Ver anexo 2). Toda la información referente al carbón comopotencia calorífica inferior y porcentaje de humedad entre otros se consiguen de los archivosde calidad de la empresa.7.1.1.3 Clinker.El clinker producido no es medible debido a las dificultades técnicas que esto representa. Paracalcular el clinker diario producido se realizan pruebas de pesaje en intervalos de tiempodefinidos por los profesionales de producción encargados, y por medio de estas pruebas depesaje se determina y actualiza un factor de producción, es decir, se determina cuanto clinkerse esta produciendo por determinada cantidad de harina alimentada al horno. Así el clinker secalcula por medio del factor de producción.La composición del clinker (CaO, SiO2, AL2O3, Fe2O3, MgO) se determina en el laboratorio de laplanta, y registrada diariamente en la red de calidad de la empresa.7.1.1.4 Polvo de salida del electrofiltro.En los ciclones se da una separación gas-sólido que no es del todo eficiente, es decir que losgases salen con una pequeña cantidad de polvo, como ya se explico anteriormente los gasesson llevados a un electrofiltro en el que se separa del polvo con el que vienen, este polvorecuperado y posteriormente recirculado al proceso siendo añadido a la harina dealimentación. El polvo recuperado en el electrofiltro se mide por medio de pruebas de pesaje.Esto da una idea de la eficiencia de la torre y que tanto cambia con el tiempo.7.1.1.5  Agua de harina y carbón.Esta agua es debida a la humedad de los materiales y se toman como flujos individuales, yaque estas influyen en el balance de energía como calores individuales debido a su evaporacióndurante el proceso. Para la determinación de estas se cuentan con análisis de laboratorio enlos que se especifica la humedad de la harina y el carbón.7.1.1.6 

 Aire de transporte de carbón.El carbón que ingresa al horno es transportado por medio aire proveniente de bombas Pfister.En la línea 1 el 40% del carbón es transportado a la torre precalentadora y el otro 60% estransportado al quemador principal para la quema en el horno. En la línea 2 se alimenta el70% del carbón al calcinador en la torre y el restante 30% se alimenta al horno. Debido a esto se cuenta entonces con dos bombas Pfister para cada ducto de transporte. Se determina pormedio de mediciones.7.1.1.7  Aire de escape del enfriador.Parte del aire de enfriamiento que ingresa al enfriador es llevada como aire secundario alhorno y al ducto de aire terciario y el resto sale por la parte posterior del ventilador, a esteaire se le denomina aire de escape o de exceso del enfriador. Se determina por medio demediciones.7.1.1.8  Aire falso.El aire falso ingresa al sistema en diferentes puntos, por aberturas que son muy difícilmentecontroladas, y por tal motivo no es un aire medible. La determinación de este se hace haciendouso de la ecuación del balance de masa.7.1.1.9 Gases de salida de la torre precalentadora.El volumen de gases que se maneja en el horno procede de tres fuentes diferentes, de losgases de combustión que se incrementan con el exceso de aire, de los gases producto de ladescarbonatación de la harina, del aire en exceso, de los aires falsos que ingresan al sistema ydel agua proveniente de la humedad de la harina y del carbón.La determinación de los gases de salida de la torre precalentadora puede obtenerse por mediode mediciones o puede ser calculado. Sin embargo los cálculos suponen cierto grado deidealidad, por lo que se toma como preferente las mediciones realizadas, no obstante, en casode no disponer de una forma de medir los gases de salida de la torre es factible hacer uso delos cálculos. La empresa cementera Holderbank ha desarrollado cálculos específicamentediseñados para la determinación de gases de salida del proceso.Las reacciones de combustión completa pueden caracterizarse por tres ecuaciones decombustión simples:                ggsgggggsSOOSO H O H COOC 2222)(2)(2)(2)(21          7.1.2 CÁLCULO DE FLUJOS MÁSICOS DE AIRES Y GASES DE PROCESO A PARTIR DEMEDICIONES [10].Para obtener el flujo másico en tph de un gas a través de mediciones, lo que se hace es medirdiferentes presiones dinámicas, presión estática y temperatura en el ducto por el cual fluye elaire o gas. Para esto se sigue un procedimiento en el que inicialmente se selecciona el puntode muestreo y la forma en la que han de realizarse las mediciones necesarias (Ver anexo 3). Apartir de cada presión dinámica se calcula una velocidad de flujo, y con el total de las velocidades calculadas se obtiene una velocidad de flujo promedio. A continuación semuestran las ecuaciones que deben ser utilizadas.

7.1.2.1 Cálculo de la velocidad del flujoLa presión dinámica puede emplearse para calcular la velocidad del aire si se conoce ladensidad del mismo. Para esto se hace uso de la siguiente ecuación:Dependiendo del diámetro del ducto se hace uso de un tipo tubopitot, en la Tabla 3 se muestra el tipo de tubo pitot utilizado en lamedición de cada flujo y su constanteK .Tabla 3.Especificación de tubo pitot para cada flujo a medir.Tipo Flujos a medir ConstanteLAire de enfriamientoAire primarioAire de transporte de carbón1.00SAire de escape del enfriadorAire terciarioGases de salida de la torre0.857.1.2.2 Cálculo de la densidad realSi la temperatura del aire se desvía más de 15° C de las condiciones estándar o la latitud essuperior a 300 m por encima por debajo del nivel del mar, el valor estándar de la densidad delaire debe corregirse. La corrección necesaria debe tener en cuenta las variaciones de altura,presión y temperatura; así la densidad real viene dada por:T P H normalrealC C C     Las condiciones estándar ó condiciones normales se refieren a una presión de 1.0133 bars ó760 mmHg y una temperatura de 0° C ó 273 K; bajo las cuales se define el Nm3(Metro cúbiconormal) que se utiliza como unidad de medición para cantidades de gas.7.1.2.3 Factores de corrección Factor de corrección por presión:1034010340ePPC  Factor de corrección por temperatura:'273273T C T  Factor de corrección por altura es:  258

7.1.2.4 Cálculo del caudal real, caudal normal y el flujo másicoUna vez determinada la velocidad promedio de flujo puede calcularse el caudal real por mediode:

)1 / 3600(hsv Aq El flujo másico en tph se calcula entonces por medio de:)1000 / 1(Kgt qmreal  Para obtener el caudal normal se utiliza la relación de densidades así:normalrealnormalqq     7.1.3 MODELO DE CÁLCULO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE GASES DESALIDA DE LA TORRE PRECALENTADORA [6].7.1.3.1  AireEl oxigeno destinado a la combustión se toma del aire, el cual esta compuesto por Oxigeno(O2) con una composición del 21% en volumen y Nitrógeno (N2) con una composición del 79%en volumen.7.1.3.2  Aire mínimo y gases de combustión mínimosEn general, el combustible viene dado sea por su composición elemental o por su composiciónen volumen. Para el cálculo del flujo de gases se requieren dos tipos de formulas basadas en lacomposición por peso en el caso de combustible sólido o en la composición por volumen parael caso de combustible gaseoso. Estas dos relaciones se denominan como aire mínimo (mín A) ygases de combustión mínimos (mínV ).7.1.3.3 Cálculo demín AymínV basado en el análisis elemental del combustiblePara la determinación demín AymínV se puede utilizar las composiciones del carbón conocidaspor medio de análisis elemental del material (C, H, S, N, O y H2

O son las fracciones en pesodadas en Kg/Kg de combustible).Las ecuaciones son:OS H C  Amín3.33.35.2689.8 O