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Oportunidad para la
optimización de los procesos
a través de la recuperación de
calores residuales
Sandra Catalina Navarro G.
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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
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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
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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
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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
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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%
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Maximizar la eficiencia global del proceso del horno
Planta Harleyville - USA
Recuperación calores residuales
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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
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Planta Cartagena - Colombia
¿Como se realiza hoy la recuperación y aprovechamiento
de los calores residuales en las plantas de cemento?
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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
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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
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¿Cuáles son las nuevas propuestas en materia de
recuperación de calor residual para mejorar la eficiencia térmica
del proceso?
Planta Newberry - USA
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Recuperación y aprovechamiento de
calores residuales en el proceso de clinkerización
Planta Rioclaro - Colombia
Sales Fundidas
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Sales Fundidas
Bajo punto fusión:
Temperaturas desde 65°C
Elevado coeficiente transferencia de
calor
Alta capacidad calórica
Estabilidad térmica No inflamable No explosiva
No tóxica Manejo a presión
atmosférica
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
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Sal caliente Sal fría Torre
Generador de vapor y turbina
Oportunidad para la optimización de los procesos
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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
Oportunidad para la optimización de los procesos
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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?
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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
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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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Oportunidad para la optimización de los procesos
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
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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
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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
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¿Que sigue?
Oportunidad para la optimización de los procesos
a través de la recuperación de calores residuales
Pequeña escala - laboratorio
Escala piloto
Nivel industrial
Involucramiento:
Proveedores tecnología
Industria
cementera
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GRACIAS
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