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Universidad Autónoma Metropolitana

Unidad Iztapalapa

Ciencias Básicas e Ingeniería

Ingeniería de Procesos Hidráulicos

Ingeniería en Energía

Oportunidades de Ahorro de Energía Térmica

Unidad de Calcinación No.9

Cementera Cruz Azul

Alumna: Asesor Rosa Isela Sánchez Cobos Dr. Hernando Romero Paredes Rubio

Invierno 2001

Ingeniería en Energía Proyecto Terminal

DEDICATORIA

A mis padres que confiaron en mi

Y a todas aquellas personas que me apoyaron e impulsaron en mi camino por la Universidad.

AGRADECIMIENTOS

A Dios por su gracia y amor, y brindarme la oportunidad de conocer y crecer a través de las personas.

A mi Asesor el Dr. Hernando Romero Paredes Rubio por creer en mi, su perseverancia, paciencia y orientación.

Al Dr. Juan José Ambriz García por sus consejos y brindarme su amistad.

A mi familia que no dudo de mi capacidad y responsabilidad.

A mi padre por darme la vida y retarme a ser mejor

En especial a mi madre que en todo momento confió y oró por mi vida.

Y a todas aquellos que directa o indirectamente contribuyeron a la culminación de esta Tesis.

Rosa Isela Sánchez Cobos i


Índice

Capitulo I.................................................................................................................1

Sector del Cemento en México...........................................................1 1.1 Introducción .....................................................................................................................1 1.2 Principales Características del Sector Cemento en México ....................................................2 1.3 El Proceso de Fabricación del Cemento...............................................................................4 1.4 EL Proceso de Fabricación del Cemento Pórtland.................................................................5 1.4 Reparto de los Consumos de Energía en las Distintas Operaciones Básicas ...........................6

Capitulo II ............................................................................................................10

Cooperativa Cruz Azul, S.C.L. Planta Hidalgo ....................10 2.1 Descripción de la Fabrica ................................................................................................. 10 2.2 Balances de Materia y Energía ........................................................................................ 14 2.3 Análisis de Información....................................................................................................29

Capitulo III..........................................................................................................50

Tecnologías en la Industria Cementera...................................50 3.1 Hornos Industriales ......................................................................................................... 50

Capitulo IV ...........................................................................................................58

Tecnologías para Ahorro de Energía en Hornos ..............58 4.1 Recuperadores de Calor................................................................................................... 58 4.2 Tipos de Recuperadores. ................................................................................................. 58

Capitulo V..............................................................................................................64

Ahorro de Energía en los Procesos Existentes..................64 5.1 Sustitución del Proceso vía húmeda a vía seca. ................................................................. 64 5.2 Transformación dentro de los procesos vía seca................................................................ 66 5.3 Fabricación de clínquer de cemento portland utilizando materias primas con contenidos de humedad y granulometrías variables. ..................................................................................... 66

Capitulo VI ...........................................................................................................68

Otras Áreas de Oportunidad ...............................................................68 6.1 Mejoras en la extracción y preparación de las materias primas........................................... 68 6.2 Mejoras en la dosificación y prehomogeneización. ............................................................. 68 6.3 Mejoras en el secado y molienda del crudo. ...................................................................... 68 6.4 Mejoras en la fabricación del clínquer. .............................................................................. 68 6.5 Mejoras en la molienda y acabado del cemento................................................................. 70 6.6 Regulación del aire primario en el quemador del horno...................................................... 71 6.8 El control de la llama. ...................................................................................................... 72 6.9 Aprovechamiento del aire en los quemadores secundarios. ................................................ 72 6.10 Utilización de residuos de carbón y cenizas volantes con alto contenido de inquemados........... 73

Capitulo VII.........................................................................................................74

Rosa Isela Sánchez Cobos ii


Otros Posibles Ahorros de Energía ...............................................74 7.1 Control continuo del consumo específico de combustible. .................................................. 74

Capitulo XIII......................................................................................................78

Anexos......................................................................................................................78 8.1 Información General de la Empresa.................................................................................. 78 8.2 Memoria de Cálculo Enfriador A........................................................................................ 79 8.3 Bibliografía ..................................................................................................................... 84

Rosa Isela Sánchez Cobos iii


Capitulo I Sector del Cemento en México

1.1 Introducción

El cemento se inventó hace aproximadamente 2000 años por los romanos, de forma totalmente

fortuita, como ha ocurrido con otros inventos. Al hacer fuego en un agujero recubierto de

piedras, consiguieron deshidratar y descarbonatar parcialmente las piedras calcáreas o el yeso,

convirtiéndolas en polvo que se deposito entre las piedras.

Al llover, dicho polvo unió las piedras entre si. Los egipcios utilizaron un cemento fabricado con

yeso impuro calcinado, que sirvió para unir los bloques de piedra en la construcción de las

pirámides. El secreto de la durabilidad del cemento se perdió y en la Edad Media tan solo fue

posible fabricar cemento de mediana calidad. En 1756, Smeaton descubrió que los mejores

cementos se obtenían al mezclar caliza con un 20-25% de materia arcillosa. En 1845, Johnson

fijó las proporciones de materias primas a utilizar, así como la temperatura de cocción, con lo

que se asistió al inicio de la industria de cemento Portland. Dicho nombre le fue dado por su

similitud con la piedra de Portland.

La industria del cemento constituye uno de los sectores básicos de la economía de un país. Su

importancia radica en que guarda una relación directa con el nivel de desarrollo económico del

país e indica su aptitud para satisfacer sus necesidades en uno de los principales materiales

básicos para la industria de la construcción.

El consumo energético del sector cemento varía considerablemente de una nación a otra, en

función del tamaño de ésta industria, la edad de sus plantas y los procedimientos de trabajo que

en ella se sigan. Por tanto, el análisis de los consumos específicos de energía asociados a cada

uno de los procesos de producción es fundamental para la aplicación de cualquier tipo de

medida de ahorro de energía y/o para el mejoramiento de la eficiencia de los procesos

productivos.

Es indiscutible que el análisis del consumo energético del sector cemento y la búsqueda de

soluciones que permitan abatirlo, constituyen prioridades absolutas en países donde la

producción de cemento se ha desarrollado, México entra dentro de esta categoría.

Rosa Isela Sánchez Cobos 1


1.2 Principales Características del Sector Cemento en México

La industria cementera de México, creció significativamente entre 1970 y 1982 incluso en tasas

superiores al del PIB nacional; sin embargo, desde 1983 ha experimentado una notable

contracción de su producción, como resultado de la recesión general de la economía.

La capacidad instalada que en 1973 era 11.6 millones de toneladas ha llegado a ser de 32

millones de toneladas en 1984; es decir, en poco más de una década se ha triplicado su

capacidad productiva.

Actualmente existe una gran contracción en la demanda y una excesiva capacidad instalada, lo

que obliga a buscar nuevas estrategias.

En la actualidad son 30 las plantas cementeras de México y se encuentran localizadas

estratégicamente. Así, mientras que en el pasado reciente el mercado nacional del cemento

observaba una situación de equilibrio entre la oferta y la demanda, a última fecha la capacidad

instalada excede por mucho a la demanda.

El consumo de energía en la producción del cemento esta relacionado con el tipo de proceso

utilizado: húmedo o seco, siendo mayor en el primer caso.

De las fuentes energéticas empleadas, gas natural, combustóleo y electricidad, esta industria

consume el equivalente a 5% de las ventas nacionales de gas natural y a 7% de las de

combustóleo.

En el cuadro 1.2.1 se muestra el consumo de combustible y electricidad de la industria

cementera mexicana para el período 1980-2001.

Cabe aclarar que el costo de las diferentes formas de energía, pese a la baja actual de los

precios del petróleo y gas, es un componente fundamental del costo del cemento, estimándose

éste hasta en un 40% para algunos países.



Cuadro 1.2.1 Consumo de Combustibles y Electricidad Para la Producción de Cemento

Año Consumo de CombustiblesPetajoules

Consumo de Electricidad Petajoules

1980 58.080 7.751

1981 64.284 8.594

1982 69.004 9.225

1983 61.030 8.161

1984 65.922 8.824

1985 73.946 9.983

1986 70.624 8.283

1987 78.161 9.014

1988 70.259 10.710

1989 73.782 9.874

1990 74.701 9.369

1991 79.132 11.688

1992 81.614 11.955

1993 81.228 12.324

1994 82.027 13.864

1995 69.753 10.733

1996 73.914 11.815

1997 73.214 11.703

1998 78.420 13.930

1999 69.800 14.404

2000 70.355 13.904

2001 58.842 13.533



1.3 El Proceso de Fabricación del Cemento

Foto 1. Parque de Almacenamiento

El proceso de fabricación del cemento se inicia con la explotación de los

yacimientos de materia prima, en tajo abierto.

El material resultante de la voladura es transportado en camiones para su

trituración, los mismos que son cargados mediante palas o cargadores

frontales de gran capacidad.

La trituración de la roca, se realiza en dos etapas, inicialmente se procesa

en una chancadora primaria, del tipo cono que puede reducirla de un

tamaño máximo de 1.5 m hasta los 25 cm.

El material se deposita en un parque de almacenamiento. Seguidamente, luego de verificar su

composición química, pasa a la trituración secundaria, reduciéndose su tamaño a 2 mm

aproximadamente. Como se muestra en la Foto 1.

El material triturado se lleva a la planta propiamente dicha por cintas

transportadoras, depositándose en un parque de materias primas. En

algunos casos se efectúa un proceso de pre-homogeneización.

La siguiente etapa comprende la molienda, por molinos de bolas o por

prensas de rodillos, que producen un material de gran finura. En este

proceso se efectúa la selección de los materiales, de acuerdo al diseño de la

mezcla previsto, para optimizar el material crudo que ingresará al horno,

considerando el cemento de mejores características.

El material molido debe ser homogeneizado para garantizar la efectividad del

proceso de clinkerización mediante una calidad constante. Este procedimiento

se efectúa en silos de homogeneización.

El material resultante constituido por un polvo de gran

finura debe presentar una composición química

constante.



La harina cruda es introducida mediante sistema de transporte neumático

y debidamente dosificada a un intercambiador de calor por suspensión de

gases de varias etapas, en la base del cual se instala un moderno sistema

de precalcinación de la mezcla antes de la entrada al horno rotatorio

donde se desarrollan las restantes reacciones físicas y químicas que dan

lugar a la formación del clinker. El intercambio de calor se produce

mediante transferencias térmicas por contacto íntimo entre la materia y

los gases calientes que se obtienen del horno, a temperaturas de 950 a

1,100°C en un sistema de 4 a 6 ciclones en cascada, que se encuentran al

interior de una torre de concreto armado de varios pisos, con alturas

superiores a los cien metros.

El horno es el elemento fundamental para la fabricación del cemento.

Está constituido por un tubo cilíndrico de acero con longitudes de 40 a

60 m y con diámetros de 3 a 6 m, que es revestido interiormente con

materiales refractarios, en el horno para la producción del cemento se

producen temperaturas de 1,500 a 1,600°C, dado que las reacciones de

clinkerización se encuentra alrededor de 1,450°C. El clinker que egresa

del horno a una temperatura de 1,200 °C pasa luego a un proceso de

enfriamiento rápido por enfriadores de parrilla. Seguidamente por

transportadores metálicos es llevado a una cancha de almacenamiento.

Desde este depósito y mediante un proceso de extracción controlada, el clinker es conducido a

la molienda de cemento por molinos de bolas a circuito cerrado o prensas de rodillos con

separadores neumáticos que permiten obtener una finura de alta superficie específica. El

cemento así obtenido es transportado por medios neumáticos para depositarse en silos donde

se encuentra listo para ser despachado.

1.4 EL Proceso de Fabricación del Cemento Pórtland Los cementos artificiales se clasifican en cemento Pórtland y cemento aluminoso.

El proceso Cemento Pórtland:

Los materiales utilizados para la fabricación de la escoria son la piedra caliza, la arcilla, se

muelen en seco (proceso seco), o con agua (proceso húmedo). La mezcla pulverizada se calcina



en hornos a una temperatura que va de 1,400 °C, la escoria se enfría rápidamente para evitar la

transformación del silicato tricálcico, principal componente del cemento Pórtland, en silicato

bicálcico y óxido de calcio.

Las masas de escoria enfriada se mezclan con yeso y otros varios aditivos(sales de naftaleno

sulfonado y formaldehído que controlan el tiempo de fraguado y otras propiedades) y por último

la escoria se tritura en un molino, se criba y almacena. La composición química del cemento

portland es:

Óxido de calcio (CaO) 65 %

Dióxido de silicio (SiO2) 20 %

Trióxido de aluminio (Al2O3) 5 %

Óxido férrico (Fe2O3) 5 %

Óxido de magnesio (MgO) Menor del 5 %

1.4 Reparto de los Consumos de Energía en las Distintas Operaciones Básicas

Los consumos de energía en las operaciones descritas, pueden desglosarse atendiendo a su

naturaleza térmica o eléctrica.

La distribución porcentual de la energía eléctrica consumida es aproximadamente la siguiente:

• Preparación de las materias Primas 3 %

• Preparación y molienda del crudo 32 %

• Homogeneización y conjunto del horno 21 %

• Molienda de cemento y acabado 41 %

• Servicios generales y auxiliares 2 %

• Iluminación 1 %

Independientemente del proceso de fabricación adoptado y del tipo de combustible utilizado

para la fabricación del clínquer, es importante considerar aquellas operaciones en las que se

consume prácticamente la totalidad de la energía térmica y que son: secado, clinquerización y

cocción.

A continuación se refleja el reparto en los consumos de energía térmica (excluyendo el gasóleo)

para cada proceso de fabricación empleado.



Proceso Vía Húmeda. La alimentación al horno se efectúa en forma de una pasta que

contiene un grado de humedad situado entre el 30 y el 40 %.

Como ventajas presentan las siguientes:

• Las pérdidas de polvo son normalmente pequeñas

• Los gases abandonan el horno a temperaturas relativamente bajas

• No es necesario consumo adicional de calor en la molienda del crudo

• Los crudos con alto porcentaje de álcalis no presentan problemas

El consumo especifico de este proceso se sitúa entre 1250 y 1400 Kcal/kg de clínquer

aproximadamente

Proceso Vía Semihúmeda. La humedad de la pasta puede llegar a ser de un 20 %. La pasta

es filtrada y a continuación es granulada por extrusión. Antes de alimentar el horno, se seca en

una parrilla.

Las ventajas más importantes que presenta este sistema son:

• No hay problemas con los crudos que tienen un alto porcentaje en el álcalis

• No necesita calor en la molienda del crudo

• Los gases abandonan la parrilla a baja temperatura

• Buena dosificación en la alimentación al horno

El consumo especifico de este proceso se sitúa en torno a las 1100 Kcal/kg del clínquer

Proceso Vía Semiseca. La materia sé peletiza en pequeños nódulos con una adición de agua

del 10 al 15 %.


• Los nódulos se descarbonatan parcialmente en la parrilla, por lo que no es necesario

acudir a hornos largos para una producción dada.

• Se obtiene un clínquer de granulometría muy uniforme lo que exige un control

riguroso del tamaño de los nódulos.

• Admite materias primas con alto contenido en álcalis

• La estabilidad de marcha es buena

Sus inconvenientes radican en su alto costo de mantenimiento y su consumo energético

relativamente elevado ya que requiere una adición de calor para secar el crudo antes de

proceder a su molienda.



El consumo específico de este proceso puede ser inferior a los 920 Kcal/kg de clínquer.

Proceso Vía Seca. El crudo a su salida de la homogeneización pasa a los sistemas de

alimentación y de éste a un precalentador constituido al menos por una etapa de ciclones.

En algunos hornos largos los ciclones desempeñan casi exclusivamente una misión de

desempolvamiento.

En la vía seca los sistemas de calentamiento son muy variados:

• Precalentador de cadenas, utilizado en hornos largos

• Precalentador de ciclones de dos etapas

• Precalentador de ciclones de 4 etapas

El rendimiento térmico de este proceso es el más elevado y su consumo específico el más

reducido, alcanzándose en algunos casos menos de las 800 Kcal/kg de clínquer.

Proceso de Fabricación en Hornos Verticales. Este procedimiento de fabricación utiliza una

mezcla del crudo con el combustible sólido, llamado crudo negro que se introduce por la boca

del horno.

Este procedimiento es el más antiguo y todavía se utiliza en hornos de pequeña producción.


• Se puede utilizar adicionado al crudo cualquier tipo de combustible sólido a mezclas

de los mismos para conseguir el poder calorífico necesario

• El fuel-oil consumido en el hogar auxiliar representa aproximadamente el 5 % del

combustible empleado en la instalación

• El consumo específico se sitúa alrededor de 900 Kcal/kg del clínquer

Sus inconvenientes radican en la falta de control riguroso de la calidad del clínquer y en poder

producirse en el crudo en contacto con las paredes del horno, inquemados.

Tabla 1.4.1 Distribución de los Consumos de Energía Térmica

Punto de Consumo Vía húmeda Vía Semiseca Vía seca

Secado y molienda del crudo -- 7 % 0.2 %

Conjunto del horno 99 % 92.5 % 99.5 %

Calderas y servicios auxiliares 1 % 0.5 % 0.3 %



En aquellas industrias en las que se consume carbón, de forma aproximada se indica la

distribución de los consumos de energía en los dos tipos de proceso más generales:

• Proceso vía seca

Consumo del horno 83 %

Secado de materias primas 14 %

Secado del carbón 3 %

• Proceso vía húmeda

Consumo en el horno 96 %

Secado del carbón 4 %

La industria cementera necesita de grandes cantidades de energía en todas sus formas, siendo

el principal componente en el costo de fabricación del cemento.

Los combustibles consumidos por la industria del cemento pueden ser sólidos, líquidos y

gaseosos.

Para la fabricación del cemento hasta los años cincuenta se utilizó casi como único combustible

el carbón, siendo a partir de entonces desplazado por el gas natural y sobre todo por el fuel-oil.

A partir de la crisis actual del petróleo, la fracción de consumo de carbón en la industria del

cemento ha comenzado a aumentar.



Capitulo II Cooperativa Cruz Azul, S.C.L. Planta Hidalgo

2.1 Descripción de la Fabrica

Generalidades : La cementera Cruz azul, forma parte de un grupo cementero importante (el 5º

lugar en México con el 11 % de la producción nacional, o sea, entre 2.5 y 3 MT de cemento por

año) y posee dos fábricas. El presente informe se refiere a la que se encuentra en el estado de

Hidalgo; está tiene una capacidad promedio de alrededor de 1.6 MT por año.

Esta capacidad se alcanzó por etapas, de la presencia de diversas líneas de producción.

Materias primas: La sociedad dispone de una cantera de Caliza de buena calidad (de 88 a 96 % de

CaCO3) a una distancia cercana de la fábrica ( menos de 5 km ).

Otras materias de calidad son: Pizarra de 12-13 %, Al2O3 y Sílica (88 % de SiO2) que se encuentran

igualmente próximas a la empresa. La hematita (75-79 % Fe2O3) y el yeso llegan por transporte de

carga de camión.

Procesos de fabricación: La caliza que se extrae en la cantera pasa a la trituración primaria ( dos

quebradores Hazemang de 250 T/H- 350 Hp ) y secundaria ( dos quebradores de martillo Pettibone

150 T/H- 230 Hp ). En seguida viene un pequeño almacenaje, la caliza se transporta en camión

hacia la fábrica.

Otras materias primas ( pizarra y sílica ) pasan por el quebrador primario antes de almacenarse en

tolvas. El yeso se tritura en la entrada de la fábrica ( Williams 130 T/H-260 Hp ). La hematita se

abastece directamente al almacén. Todas estas materias primas se almacenan en tolvas.

Molinos de crudo: La sección se compone de molinos rotatorios de bolas.

- 3 de 1050 Hp ( 66 T/H )

- 1 de 1750 Hp ( 100 T/H )

- 1 conjunto de dos molinos especiales 2 x 800 Hp ( 56 T/H )

Los molinos están equipados con quemadores auxiliares para secar las materias primas (el

consumo de gas es de 5-6 Nm3/Ton).

Homogeneización: El material molido y secado se envía neumáticamente, hacia tres secciones de

homogeneización y de almacenamiento.



En esta sección de homogeneización, se alimenta a la sección de calcinación compuesta de cinco

hornos, con precalcinación (en los hornos 6,8 y 9), con las siguientes características:

Calcinación

T/H Clínker KWh/ton kCal/ton Año

Arranque

Horno no. 4 13 37.5 1164 1958

Horno no. 5 12 37.5 1050 1964

Horno no. 6 45 ------- 991 1967

Horno no. 7 25 45.3 916 1973

Horno no. 8 88.5 40.5 738 1978

Horno no. 9 110 65.8 ----- 1993

La producción actual de clínker es del orden de 1'450'000 toneladas anuales. Este clínker se

almacena en una nave con capacidad para 50,000 toneladas desde donde se recoge para alimentar

al departamento de molienda, cuyas características son:

Molinos de cemento

ton/h kWh/ton hp

Molino no. 1 19 44 850

Molino no. 2 19 44 850

Molino no. 3 25 34 850

Molino no. 4 38 44 1500

Molino no. 5 35 44 1500

Molino no. 6 130 40 6000

Todos los molinos están equipados con separadores de aire. Un programa de inversiones para

equipar a los molinos con separadores de alto rendimiento (O'SEPA) se encuentra en curso.

La capacidad de producción es del orden de 1,600,000 T/año en distintas calidades:

Tipo II 1,300,000 ton/año

Tipo Pz 225,000 ton/año

Cemento mortero para albañilería 88,000 ton/año



Cemento clase "G" (especial para pozos petroleros) 2,000 ton/año

Infraestructura: En total, el consumo eléctrico promedio se sitúa de alrededor de los 112 kWh/ton,

y se observó que de un mes para otro el precio promedio del kW es de 41 a 72 pesos/kWh en

función de los períodos en que se rebasaba el programa de carga.

La organización general de la fábrica está dividida en departamentos responsables:

- Producción por departamentos

- Mantenimiento por especialización

- Laboratorio de control cualitativo

- Mantenimiento general

- Seguridad

- Coordinación administrativa

- Personal

El personal utilizado es de cerca de 780 empleados lo que representan en promedio más de 1.0

hombre/ton, cifra elevada en comparación con las realizaciones europeas, no obstante explicable

en el contexto social cooperativo. Sin embargo, para el futuro, la mejora de la productividad está

presente.

En la figura 2.1. Se muestra el diagrama de flujo del proceso que se utiliza en la fabricación del

clínker en la unidad de calcinación no. 9, junto con la nomenclatura usada en este trabajo.


Ingeniería en Energía

19, H19

Separador 2

(Filtro de Grava) F

Horno No. 9 B

Enfriador

A

16

4

8

8'

1

3

6

2

Unidad de Calcinación No. 9 Cementos Cruz Azul, S.C.L.

m16, H16

m8, H8

m3, H3

m4, H4 m9, H9

m8', H8'

m6, H6

m1, H1

m2, H2

Figura 2.1 Diagrama de F

A

13

m

19 9

5 m5, H5

m1

lujo del Proceso

Proyecto Terminal

Separador 1 (Electrofiltro)

E

Precalcinador C

Torre de

Enfriamiento D

14

11

12

13

10

7

15

17

m7, H7

m11, H11

m12, H12

m13, H13

m15, H15

m14, H14

0, H10 m17, H17

m18, H18

Rosa Isela Sánchez Cobos

18


2.2 Balances de Materia y Energía

Una necesidad imperiosa en cualquier operación de calentamiento es que ésta sea llevada a cabo

con la mayor eficiencia posible, lo cual implica la uitlización óptima del calor cedido al horno para

llevar a la carga a la temperatura y con las velocidades apropiadas de flujo de calor.

Como es bien sabido, la eficiencia termodinámica es mayor, cuanto menor es la diferencia de

temperaturas de la fuente caliente y la fuente fría, sin embargo el flujo calorífico será mayor

cuanto más elevada sea dicha diferencia. Así pues, en el horno existirá un compromiso entre el

rendimiento térmico y la velocidad de transmisión para la elección de temperaturas de trabajo.

La mejor manera de abordar un estudio sobre el rendimiento térmico de un proceso es realizar su

balance de energía. Este consiste en un recuento de las diferentes formas de energía que se

aportan y que abandonan el sistema. También se requiere conocer el balance de materia y el

diagrama de flujo de la instalación que recogerá todas las corrientes que lo integran.

Balance de Materia.

Para poder plantear los balances de materia y energía en un horno industrial, es necesario primero

definir el sistema en el que se va a aplicar estos balances; es decir, es necesario determinar un

volumen de control.

Se considerará el sistema dentro del horno, situándolo en lo que se conoce como la zona de

trabajo; con lo cual las paredes que rodean a la cámara en la que se colocan los materiales para el

tratamiento, son límites ya del sistema, Por lo anterior, se deduce que las chimeneas u orificios que

pudiera tener el horno se considera fuera del sistema.

Si el sistema es abierto, por lo que va a existir intercambio de materia y energía entre el sistema y

los alrededores; entonces la materia que entra y sale del sistema es esencialmente la carga del

horno. Algo a considerar dentro de este balance son los gases de combustión, aún cuando los

quemadores no se encuentren dentro del sistema.

Ya sea el funcionamiento del horno continuo o intermitente, ocurre que a pesar de que la cantidad

de masa permanece cierto tiempo en el horno y considerando que no existen reacciones químicas

entre los materiales y los gases de combustión, la cantidad de masa que entra al horno es

exactamente la misma que sale, por lo tanto, se puede afirmar que permanece en estado

estacionario; por ello, la ecuación que rige el balance de materia en el horno se simplifica :



salent mm..

=

en donde:

ment = cantidad de materia que entra al horno (kg/h)

msal = cantidad de materia que sale del horno (kg/h).

Balance de energía.

Para plantear el balance de energía hay que definir el sistema sobre el cual se va a tomar el

balance para esto, se considerará el mismo sistema utilizado en el balance de materia. Ya que el

sistema es abierto se tiene la expresión más general para el balance de energía:

Energía que entra al sistema.

-

Energía que sale del sistema.

-

Energía generada en

el sistema

=

Energía acumulada en

el sistema

Esta expresión se puede simplificar al tomar en cuenta todas las posibles contribuciones de

intercambio de energía, ya sea térmica, mecánica o eléctrica.

Debido a que no existe acumulación de energía en el sistema, y suponiendo que prevalece el

estado estacionario en todo el proceso, al término correspondiente a la acumulación se anula.

Como aproximación se considerará únicamente el caso del horno que se va utilizar para el

tratamiento térmico de los materiales y no va a funcionar como reactor químico. En tanto no habrá

contribución por la energía generada en las reacciones que pudiesen ocurrir y entonces la

expresión anterior se reduce a:

No hay que olvidar que en presencia de reacciones químicas puede haber un aporte de calor por

las reacciones exotérmicas, o bien una contribución negativa, si las reacciones son endotérmicas.

La única contribución al balance de energía es la correspondiente a la transferencia de calor; por lo

que el balance se reduce a un balance térmico. Existe una cierta cantidad de calor que entra la

sistema y que es precisamente todo el calor que se va a proporcionar al horno en el proceso. A

esta contribución se le llamará energía de entrada (Qt) y representa la cantidad total de calor que

entra al horno por unidad de tiempo.



En cuanto al calor que sale del sistema, y que en magnitud debe ser igual a la cantidad de calor

que entra, básicamente presenta dos contribuciones, una que corresponde a la cantidad de calor

recibida por la carga y otra que se refiere a las pérdidas. Esta última contribución depende

principalmente de las pérdidas de calor a traves de las paredes, puertas, orificios,etc.

Se denotará al calor absorbido por la carga como (Qc) y al de las pérdidas por (Qp). De todo lo

anterior, el balance térmico es:

Qt = Qc + Qp

Este balance térmico permitirá conocer las cantidades de calor que se utilizan y se pierden en el

proceso; por lo mismo define la capacidad calorífica de un equipo, es decir la cantidad de calor que

se requiere para trabajar bajo condiciones de equilibrio térmico.

A continuación se hacen los balances de masa y energía por separado, para cada componente del

proceso según el esquema de la figura 2.1, donde m representa el flujo másico de la corriente en

cuestión y H es la cantidad de calor que lleva esa corriente y viene expresada como:

hmH &=

En la mayoría de los casos, la entalpía de la corriente h viene expresada como:

CpdTh =

Si Cp=Constante, entonces:

TCph ∆=

A continuación de las figuras 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3, 2.2.4, 2.2.5, 2.2.6, se presentan los balances de masa y energía de cada un de los equipos que participan en el proceso:



Balance de Masa:

Entrada = Salida

938864 mmmmmm &&&&&& +++=+ ′

Enfriador

A

m8, H8 m8', H8'

m9, H9 m4, H4

m3, H3

Figura 2.2.1

Horno B m3, H3

m2, H2

m6, H6

m1, H1

Figura 2.2.2

Rosa Isela Sánchez Cobos

m6, H6
Balance de Energía:
Entrada = Salida

PérdidasHHHHHH ++++=+ ′ 938864

938864 HHHHHHPerdidasQPA −−−−+== ′

Balance de Masa:

Entrada = Salida

765321 mmmmmm &&&&&& +=+++


Entrada = Salida

PérdidasHHHHHH ++=+++ 765321

765321 HHHHHHPerdidasPBQ −−+++==

m5, H5

m7, H7

17


Balance de Masa:

Entrada = Salida

511121087 mmmmmm &&&&&& +=+++ ′


Entrada = Salida

PérdidasHHHHHH ++=+++ ′ 511121087

511121087 HHHHHHPerdidasQPC −−+++== ′

Precalcinador C

m11, H11

m5, H5

m10, H10’

m8’, H8’

m7, H7

m12, H12

Figura 2.2.3

Balance de Masa:

Entrada = Salida

17131511 mmmm &&&& +=+


Entrada = Salida

PérdidasHHHH ++=+ 17131511

17131511 HHHHPerdidasQPD −−+==

Torre De

EnfriamientoD

m15, H15

m17, H17

m13, H13

m11, H11

Figura 2.2.4



Balance de Masa:

Entrada = Salida

181413 mmm &&& +=


Entrada = Salida

PérdidasHHH ++= 181413

181413 HHHPerdidasQPE −−==

Separador 1 (Electrofiltro)

E

m14, H14

m13, H13

m18, H18

Figura 2.2.5

Balance de Masa:

Entrada = Salida

19168 mmm &&& +=


Entrada = Salida

PérdidasHHH ++= 19168

19168 HHHPerdidasQPF −−==

Separador 2

(Filtro de Grava) F

m16, H16

m19, H19

m8, H8

Figura 2.2.6



El resumen del conjunto de ecuaciones de Balance de Masa y Energía queda como:

Ecuaciones del balance de masa, del proceso :

( )1938864 ⇒+++=+ ′ mmmmmm &&&&&& Enfriador

( )2765321 ⇒+=+++ mmmmmm &&&&&& Horno

( )3511121087 ⇒+=+++ ′ mmmmmm &&&&&& Precalcinador

( )417131511 ⇒+=+ mmmm &&&& Torre De Enfriamiento

( )5181413 ⇒+= mmm &&& Separador 1

( )619168 ⇒+= mmm &&& Separador 2

Ecuaciones de balance de energía, del proceso :

( )7938864 ⇒+++=+ ′ HHHHHH Enfriador

( )8765321 ⇒+=+++ HHHHHH Horno

( )9511121087 ⇒+=+++ ′ HHHHHH Precalcinador

( )1017131511 ⇒+=+ HHHH Torre De Enfriamiento

( )11181413 ⇒+= HHH Separador 1

( )1219168 ⇒+= HHH Separador 2

Para cada una de las corrientes es necesario identificar la naturaleza del flujo involucrado. Así en el

listado siguiente se describen las características y proceduría de cada corriente.

=1m& Flujo Másico de Combustible que entra al Horno

=2m& Flujo Másico de aire primario a la entrada del Horno

=3m& Flujo Másico de aire secundario a la salida del enfriador que entra Horno

=4m& Flujo Másico de aire a la entrada del enfriador

=5m& Flujo Másico de crudo a la salida del Precalcinador

=6m& Flujo Másico de Clinker a la entrada del Enfriador

=7m& Flujo Másico de los Gases a la salida del Horno

=8m& Flujo Másico de aire a la salida del enfriador que entra al Separador 2

=′8m& Flujo Másico de aire a la salida del enfriador que entra al Precalcinador

=9m& Flujo Másico del Clinker a la salida del Enfriador

=10m& Flujo Másico de Crudo a la entrada del Precalcinador



=11m& Flujo Másico de gases a la salida del Precalcinador

=12m& Flujo Másico de Combustible a la entrada del Precalcinador

=13m& Flujo Másico de gases a la entrada del Separador 1 que sale de la Torre de Enfriamiento

=14m& Flujo Másico de gases a la salida del Separador 1

=15m& Flujo Másico del agua a la entrada de la Torre de Enfriamiento

=16m& Flujo Másico del aire a la salida del Separador 2

=17m& Flujo Másico del Crudo a la salida de la Torre de Enfriamiento

=18m& Flujo Másico de Crudo a la salida del Separador 1

=19m& Flujo Másico del Clinker a la salida del Separador 2

Recopilación de Información

Una vez propuestas las ecuaciones de materia y energía para cada equipo que participan en el

proceso de clinkerización y fabricación del cemento de esta planta, se procedió a determinar las

variables, es decir aquellas variables medibles en la práctica y las obtenidas por medio de

literatura.

Las mediciones realizadas en la planta se encuentran en las tablas 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3, 2.2.4, 2.2.5,

2.2.6, 2.2.7, en las cuales se indican la producción de clínker, combustóleo, poder calorífico del

combustóleo, flujo de aire en el enfriador y flujo de alimentación de crudo al horno.

Algunos de los valores se hicieron a través de mediciones directas, otras se obtuvieron de los

registros que lleva a cabo el personal del Centro de Operaciones de la unidad de calcinación no. 9.



Tabla 2.2.1. Producción de Clínker de la Unidad de Calcinación No. 9, en la semana comprendida del 2 al 6 de febrero de 1998.

Unidad de Calcinación No. 9 Producción de Clínker en toneladas

Horario Hrs

Tiempo de Alimentación

(Hrs.)

2-Feb-98Clinker (Ton.)





Total promediopor 5 dias*

(Ton.)

Total promediopor 5 dias

(kg)

7:00 1.0 137.30 143.10 127.80 131.60 130.80 670.60 670,6008:00 1.0 116.10 143.10 125.80 130.80 130.20 646.00 646,0009:00 1.0 116.90 133.00 121.70 130.90 125.60 628.10 628,10010:00 1.0 124.60 143.10 123.00 130.90 127.90 649.50 649,50011:00 1.0 127.96 148.50 124.80 130.90 131.60 663.76 663,76012:00 1.0 127.96 148.50 124.80 130.90 131.60 663.76 663,76013:00 1.0 127.96 148.50 124.80 130.90 131.60 663.76 663,760

Primer Turno

14:00 1.0 127.96 148.50 124.80 130.90 131.60 663.76 663,760

15:00 1.0 127.96 148.50 124.80 130.90 131.60 663.76 663,76016:00 1.0 127.96 148.50 124.80 130.90 131.60 663.76 663,76017:00 1.0 127.96 148.50 124.80 130.90 131.60 663.76 663,76018:00 1.0 127.96 148.50 124.80 130.90 131.60 663.76 663,76019:00 1.0 127.96 148.50 124.80 130.90 131.60 663.76 663,76020:00 1.0 127.96 148.50 124.80 130.90 131.60 663.76 663,76021:00 1.0 127.96 148.50 124.80 130.90 131.60 663.76 663,760

Segundo Turno

22:00 1.0 127.96 148.50 124.80 130.90 131.60 663.76 663,760

Tercer turno 23:00 1.0 127.96 148.50 124.80 130.90 131.60 663.76 663,760

Total 16.0 2,158.38 2,492.80 2,120.70 2,225.90 2,225.30 11,223.08 11,223,080

Promedio por día 2,244.62 2,244,616

Promedio por hora 140.29 140,289

22 Rosa Isela Sánchez Cobos


Tabla 2.2.2. Consumo específico del combustóleo de la Unidad de Calcinación No. 9,comprendido del 2 al 6 de febrero de 1998.

Consumo Específico del Combustóleo de la unidad de Calcinación No. 9

2-Feb-98 Consumo Específico




6-Feb-98 Consumo Específico Horario

Hrs


(Hrs.)

kcal/kg kJ/kg kcal/kg kJ/kg kcal/kg kJ/kg kcal/kg kJ/kg kcal/kg kJ/kg

Prom. 5 dias

Poder Calorifico

kJ/kg

7:00 1.0 758.80 3,171.78 893.50 3,734.83 856.50 3,580.17 829.40 3,466.89 845.30 3,533.35 3,497.41

8:00 1.0 847.60 3,542.97 891.10 3,724.80 866.20 3,620.72 844.40 3,529.59 849.80 3,552.16 3,594.05

9:00 1.0 974.30 4,072.57 872.20 3,645.80 891.70 3,727.31 839.00 3,507.02 880.90 3,682.16 3,726.97

10:00 1.0 913.90 3,820.10 872.60 3,647.47 876.90 3,665.44 814.30 3,403.77 865.70 3,618.63 3,631.08

11:00 1.0 889.00 3,716.02 837.90 3,502.42 857.10 3,582.68 807.10 3,373.68 842.20 3,520.40 3,539.04

12:00 1.0 965.10 4,034.12 819.60 3,425.93 931.80 3,894.92 808.40 3,379.11 821.40 3,433.45 3,633.51

13:00 1.0 924.80 3,865.66 849.80 3,552.16 1001.50 4,186.27 806.20 3,369.92 958.90 4,008.20 3,796.44

Primer Turno

14:00 1.0 979.30 4,093.47 873.90 3,652.90 857.50 3,584.35 804.60 3,363.23 809.50 3,383.71 3,615.53

15:00 1.0 965.60 4,036.21 819.50 3,425.51 842.70 3,522.49 803.10 3,356.96 786.10 3,285.90 3,525.41

16:00 1.0 937.30 3,917.91 817.50 3,417.15 789.30 3,299.27 802.10 3,352.78 770.40 3,220.27 3,441.48

17:00 1.0 939.70 3,927.95 797.60 3,333.97 714.10 2,984.94 797.90 3,335.22 746.40 3,119.95 3,340.41

18:00 1.0 944.40 3,947.59 878.50 3,672.13 728.70 3,045.97 860.80 3,598.14 743.40 3,107.41 3,474.25

19:00 1.0 932.20 3,896.60 872.50 3,647.05 774.10 3,235.74 895.10 3,741.52 749.30 3,132.07 3,530.60

20:00 1.0 888.50 3,713.93 873.00 3,649.14 794.80 3,322.26 828.20 3,461.88 752.70 3,146.29 3,458.70

21:00 1.0 815.90 3,410.46 873.40 3,650.81 820.80 3,430.94 806.40 3,370.75 757.30 3,165.51 3,405.70

Segundo Turno

22:00 1.0 834.90 3,489.88 845.20 3,532.94 821.50 3,433.87 804.90 3,364.48 790.60 3,304.71 3,425.18

Total 56,635.74

Promedio 3,539.73



Tabla 2.2.3. Consumo específico del combustóleo de la Unidad de Calcinación No. 9, comprendido del 2 al 6 de febrero de 1998.

Consumo Específico de Combustóleo de la Unidad de Calcinación No. 9






Prom 5 dias Consumo Específico Horario

Hrs


(Hrs.)

l/t m3/kg l/t m3/kg l/t m3/kg l/t m3/kg l/t m3/kg m3/kg

7:00 1.0 90 0.00009 105 0.000105 100 0.000100 97 0.000097 99 0.000099 0.000098

8:00 1.0 99 0.00010 104 0.000104 101 0.000101 99 0.000099 99 0.000099 0.000100

9:00 1.0 114 0.00011 102 0.000102 104 0.000104 98 0.000098 103 0.000103 0.000104

10:00 1.0 107 0.00011 102 0.000102 103 0.000103 95 0.000095 101 0.000101 0.000102

11:00 1.0 104 0.00010 98 0.000098 100 0.000100 94 0.000094 99 0.000099 0.000099

12:00 1.0 113 0.00011 96 0.000096 97 0.000097 95 0.000095 96 0.000096 0.000099

13:00 1.0 108 0.00011 99 0.000099 117 0.000117 94 0.000094 112 0.000112 0.000106

Primer Turno

14:00 1.0 115 0.00012 103 0.000103 100 0.000100 94 0.000094 95 0.000095 0.000101

15:00 1.0 113 0.00011 96 0.000096 99 0.000099 94 0.000094 92 0.000092 0.000099

16:00 1.0 110 0.00011 96 0.000096 92 0.000092 94 0.000094 90 0.000090 0.000096

17:00 1.0 110 0.00011 93 0.000093 84 0.000084 93 0.000093 87 0.000087 0.000093

18:00 1.0 111 0.00011 103 0.000103 85 0.000085 100 0.000100 87 0.000087 0.000097

19:00 1.0 109 0.00011 104 0.000104 91 0.000091 105 0.000105 88 0.000088 0.000099

20:00 1.0 104 0.00010 102 0.000102 93 0.000093 97 0.000097 88 0.000088 0.000097

21:00 1.0 96 0.00010 102 0.000102 96 0.000096 94 0.000094 89 0.000089 0.000095

Segundo Turno

22:00 1.0 98 0.00010 99 0.000099 96 0.000096 94 0.000094 93 0.000093 0.000096

Total 0.00158360

Promedio 0.00009898



Tabla 2.2.4. Poder calorífico del combustóleo de la Unidad de Calcinación No. 9, del 2 al 6 de febrero de 1998.

Poder Calorífico

2-Feb-98 Poder

calorifico

3-Feb-98 Poder

calorifico

4-Feb-98 Poder

calorifico

5-Feb-98 Poder

calorifico

6-Feb-98 Poder

calorifico Horario Hrs


(Hrs.) kJ/m3 kJ/m3 kJ/m3 kJ/m3 kJ/m3

Prom. 5 dias Poder

Calorifico kJ/m3

7:00 1.0 35,242,044.44 35,569,809.52 35,801,700.00 35,741,154.64 35,690,444.44 35,609,030.61

8:00 1.0 35,787,555.56 35,815,365.38 35,848,673.27 35,652,444.44 35,880,444.44 35,796,896.62

9:00 1.0 35,724,333.33 35,743,098.04 35,839,480.77 35,785,918.37 35,749,145.63 35,768,395.23

10:00 1.0 35,701,887.85 35,759,490.20 35,586,815.53 35,829,200.00 35,827,980.20 35,741,074.76

11:00 1.0 35,730,961.54 35,739,000.00 35,826,780.00 35,890,191.49 35,559,555.56 35,749,297.72

12:00 1.0 35,700,159.29 35,686,750.00 40,153,855.67 35,569,600.00 35,765,125.00 36,575,097.99

13:00 1.0 35,793,185.19 35,880,444.44 35,780,085.47 35,850,170.21 35,787,517.86 35,818,280.63

Primer Turno

14:00 1.0 35,595,426.09 35,465,067.96 35,843,500.00 35,779,021.28 35,618,000.00 35,660,203.06

15:00 1.0 35,718,654.87 35,682,395.83 35,580,666.67 35,712,319.15 35,716,282.61 35,682,063.82

16:00 1.0 35,617,400.00 35,595,312.50 35,861,673.91 35,667,851.06 35,780,800.00 35,704,607.50

17:00 1.0 35,708,600.00 35,849,118.28 35,534,976.19 35,862,602.15 35,861,517.24 35,763,362.77

18:00 1.0 35,563,891.89 35,651,747.57 35,834,894.12 35,981,440.00 35,717,379.31 35,749,870.58

19:00 1.0 35,748,587.16 35,067,788.46 35,557,560.44 35,633,504.76 35,591,750.00 35,519,838.16

20:00 1.0 35,710,865.38 35,775,882.35 35,723,268.82 35,689,443.30 35,753,250.00 35,730,541.97

21:00 1.0 35,525,645.83 35,792,274.51 35,739,000.00 35,859,063.83 35,567,573.03 35,696,711.44

Segundo Turno

22:00 1.0 35,611,040.82 35,686,222.22 35,769,479.17 35,792,361.70 35,534,494.62 35,678,719.71

Total 572,243,992.57

Promedio 35,765,249.54



Tabla 2.2.5. Flujo Másico de los ventiladores del Enfriador de la Unidad de Calcinación No. 9. Período comprendido del 2 - 6 febrero de 1998.

Flujo másico del aire del enfriador

Promedio Ventilador 2-Feb-98 3-Feb-98 4-Feb-98 5-Feb-98 6-Feb-985 dias

3/h m3/h m3/h m3/h m3/h m3/h

V1.1 12,103.00 11,889.00 12,124.00 11,959 11,974 60,049.00

V1.2 11,983.00 11,992.33 11,910.00 12,023 11,989 59,897.33

V1.3 7,278.00 7,324.67 7,339.00 7,350 7,314 36,605.67

V1.4 7,307.00 7,307.67 7,254.00 7,322 7,326 36,516.67

V2.1 11,032.50 11,907.67 11,948.00 12,128 12,053 59,069.17

V2.2 10,974.50 12,015.33 11,903.00 11,959 11,974 58,825.83

V2.3 7,255.00 7,132.00 7,135.00 7,190 7,180 35,892.00

V2.4 8,580.00 8,490.33 8,340.00 8,550 8,575 42,535.33

V3 31,056.50 32,129.33 32,013.00 32,300 32,063 159,561.83

V4 35,231.50 36,043.00 34,519.00 35,650 33,093 174,536.50

V5 33,039.00 33,955.67 31,919.00 33,880 36,199 168,992.67

V9 49,875.50 49,710.00 44,866.00 44,530 42,212 231,193.50

SP2 18,669.00 20,139.67 20,206.00 20,050 20,056 99,120.67

Total 244,384.50 250,036.67 241,476.00 244,891.00 242,008.00 1,222,796.17

Promedio 244,559.23

m



Tabla 2.2.6. Mediciones de alimentación de crudo en toneladas al horno, del 2 al 6 de febrero de 1998.

Alimentación de Crudo al horno

Fecha Horario Hrs


(Hrs.)

Alimentación al Horno

ton/h


ton/h


ton/h


ton/h


ton/h

Promedio5 dias ton/h

7:00 1.0 226.10 236.10 210.90 217.10 216.00 1,106.20

8:00 1.0 191.80 236.00 207.60 215.90 214.90 1,066.20

9:00 1.0 193.00 219.40 200.90 216.00 207.30 1,036.60

10:00 1.0 205.60 236.10 203.00 216.00 211.00 1,071.70

11:00 1.0 211.00 245.10 205.90 216.00 217.20 1,095.20

12:00 1.0 195.80 250.20 117.40 215.90 135.70 915.00

13:00 1.0 205.00 238.70 170.90 215.90 180.60 1,011.10

Primer Turno

14:00 1.0 193.80 223.70 211.10 216.00 225.40 1,070.00

15:00 1.0 194.80 236.10 210.90 215.60 231.00 1,088.40

16:00 1.0 200.90 237.80 212.20 215.90 231.00 1,097.80

17:00 1.0 200.90 239.60 229.80 216.20 231.00 1,117.50

18:00 1.0 200.80 200.40 224.50 122.70 231.10 979.50

19:00 1.0 209.90 193.30 212.00 190.40 231.00 1,036.60

20:00 1.0 234.50 200.80 206.70 207.10 231.00 1,080.10

21:00 1.0 252.20 200.90 201.00 210.90 231.00 1,096.00

Segundo Turno

22:00 1.0 245.20 207.30 200.90 211.10 225.00 1,089.50

Total 16.0 3,361.30 3,601.50 3,225.70 3,318.70 3,450.20 16,957.40

Promedio 1.0 210.10 225.10 201.60 207.40 215.60 3,391.50

Promedio por día 211.96



Tabla 2.2.7. Alimentación de crudo al horno en Kg/h,del 2 al 6 de febrero de 1998.

Reporte Diario Unidad de Calcinación No. 9

Alimentación (Hrs.)

2-Feb-98 Crudo Kg/h

3-Feb-98 Crudo Kg/h

4-Feb-98 Crudo Kg/h

6-Feb-98 Crudo Kg/h

Crudo Fecha

Tiempo de 5-Feb-98 Crudo HrsKg/h

Promedio

7:00 1.0 226,100 236,100 210,900 217,100 216,000 1,106,200

8:00 1.0 191,800 236,000 207,600 215,900 214,900 1,066,200

9:00 1.0 193,000 219,400 200,900 216,000 207,300 1,036,600

10:00 1.0 205,600 236,100 203,000 216,000 211,000 1,071,700

11:00 1.0 211,000 245,100 205,900 216,000 217,200 1,095,200

12:00 1.0 195,800 250,200 117,400 215,900 135,700 915,000

13:00 1.0 205,000 238,700 170,900 215,900 180,600 1,011,100

Primer Turno

14:00 1.0 193,800 223,700 211,100 216,000 225,400 1,070,000

15:00 1.0 194,800 236,100 210,900 215,600 231,000 1,088,400

16:00 1.0 200,900 237,800 212,200 215,900 231,000 1,097,800

17:00 1.0 200,900 239,600 229,800 216,200 231,000 1,117,500

18:00 1.0 200,800 200,400 224,500 122,700 231,100 979,500

19:00 1.0 209,900 193,300 212,000 190,400 231,000 1,036,600

20:00 1.0 234,500 200,800 206,700 207,100 231,000 1,080,100

21:00 1.0 252,200 200,900 201,000 210,900 231,000 1,096,000

Segundo Turno

22:00 1.0 245,200 207,300 200,900 211,100 225,000 1,089,500

Total 16.0 3,361,300 3,601,500 3,225,700 3,318,700 3,450,200 16,957,400

Promedio 1.0 210,081.25 225,093.75 201,606.25 207,418.75 215,637.50 3,391,480

Promedio por día 211,967.50

5 dias



2.3 Análisis de Información

El siguiente paso a seguir, es proponer las formulas para realizar los cálculos correspondientes en

la obtención de los flujos másicos desconocidos en cada uno de los equipos evaluado utilizados en

el proceso de la elaboración del cemento, establecer las variables determinadas como los Cps,

Temperaturas, presiones de referencia, así como la reacción del combustóleo para la obtención del

flujo másico de los gases generados ala salida del horno.

Una vez hechos los balances de materia y energía de los cuales se establecen las ecuaciones

correspondientes.

ENFRIADOR A

En la tabla No. 2.3.1 , se enumeran los valores correspondientes en el enfriador para el calculo de

los flujos másicos m3 y H3, este mismo procedimiento, se sigue en cada uno de los flujos másicos

de energía del proceso:

Tabla No. 2.3.1 Datos Enfriador A

Tf,secundario Temp,amb,Tula Pf,secundario Pprec. Pmaire Dint. Ap Cp,1173 Ru

C C mbar mmbar kg/kgmol m mbar kj/kgK bar*m3/(kgmolK)

900 25 60 19 28.97 4.80 4.00E-01 1.1739 0.08314

g g Pf,secundario Pamb,Tula pi Ap Ap Temp,ent,horno m/s2 cm/s2 bar bar bar kg/m2 C

9.81 981 0.06 0.019 3.1416 0.000400 4 1100

En las ecuaciones siguientes, se obtienen los valores correspondientes al Área transversal,

Densidad y velocidad del aire secundario:

22

758.234

mdA ltrnasversa ==π

( ) 3

sec,

/017823.0*

*mkg

TRuPP

densidadundariof

mairef ==

( ) 3

,sec,

sec,,´ /014299.0*

*mkg

PTPTdensidad

densidadTulaambundariof

undariofTulaamb ==

´**2

densidadpgVel ∆

= = sm08.74



hm

hs

smVel 18.703,266

13600

08.74 =

=

Una vez hechos los cálculos, procedemos a calcular el gasto másico (G3):

( )( ) hmmh

mAVelG ltrnasversa

32.3 45.427,336,6758.2318.703,266* ===

En la ecuación siguiente, sustituimos el valor obtenido para G3, :

hkgGDensidadm 98.936,112()()* 33 ===

hkjTCpmh aire 15.869,111)()98.936,112(*sec,33 ==∆=

En la tabla 2.3.2.

Tabla No. 2.3.2.

Tsal,terciario Pf,terciario g Pmaire Diametro Tent,torre, C bar M/s2 kg/kgmol m C

600 5.88E-03 9.81 28.97 1.10 393

Temp,ent,terciario Pamb,Tula Cp Ru Ap t C bar KJ/kgC bar*m3/(kgmolK) bar s

900 0.7924 1.10912 0.08314 5.88E-03 3600

En las ecuaciones siguientes, se obtienen los valores correspondientes al área transversal, densidad

y velocidad del aire terciario :

30022216.0*

*mkg

TRuPmP

DensidadTerciariof

aireTerciariof ==

3,

,, 0000210.0*

**´

mkg

PTPTDensidad

DensidadTulaambTerciariof

TerciariofTulaamb ==



( )sm

DensidadpgVel 79.420,7

´2

=∆

=

( )hmt

DensidadpgVel 47.828.714,26*

´2

=∆

=

22

8353.24

mdA ltransversa ==π

Una vez hechos los cálculos, procedemos a calcular el gasto másico (G8'):

hmAVelG ltransversa

3

´8 74.215,744,75* ==

hkgGDensidadm 38.270,168* ´8´8 ==

hkjTCpmH 58.282,428,102**´8´8 =∆=

Tabla No. 2.3.3

Temp,amb,Tula Pamb,Tula Temp,enf Cp,comb. Pmaire C Bar C kJ/kgC kg/kgmol 25 0.792420 335 1.94788 28.97

Penf. Cpaire Temp,sal,enf Ru Bar kJ/kgC C Bar*m3/(kgmol*K)

0.06 0.97394 220 0.08314

Se calcula la Presión total en este caso, debido a que la presión que se nos da como dato es la

atmosférica de la Ciudad de Tula, Hidalgo :

PTotal = Pamb,Tula = 0.7924 bar

Una vez obtenido el valor de PTotal, lo sustituimos en la siguiente ecuación para obtener la densidad

del flujo másico del aire primario a la misma presión :

3,

9967.0*

)*(mkg

TRuPmPDensidad

Tulaamb

aireTotal ==

Así mismo, utilizamos el valor de la densidad para obtener m4 y h4 :



hkgVDensidadm 00.517,487* 44 ==

hkjCpTmH aire 19.136,753,97**44 =∆=

Horno B

En la tabla No 2.3.4

Tabla No. 2.3.4

Fecha Gcomb., horno m3/h

Gcomb.,prec m3/h

mcrudo kg/h

mclinker kg/h

1 02-Feb-98 8.3232 5.070 212,492.44 3,054.10

2 03-Feb-98 8.3064 5.294 212,042.50 3,532.30

3 04-Feb-98 7.8609 3.936 208,344.68 2,994.30

4 05-Feb-98 7.7834 4.224 211,826.98 3,142.20

5 06-Feb-98 8.2649 4.027 212,348.76 3,146.50

Gprom 8.1078 4.510 211,411.07 132,245.00

Tabla No. 2.3.5

Cp140,Comb. Tamb1, comb. Tf1, comb. Cp74,clínker dcomb Tcrudo,sal,prec. kJ/kgC C C kJ/kgC kg/m3 C

1.94788 25 167 0.76076 890 855

Tsal,horno Cp1400,crudo Tclínker Tcrudo Tcrudo,prec.

C kJ/kgC C C C

900 0.91124 120 1300 90

Así mismo, en la tabla No. 2.3.6, se registran los valores correspondientes de algunos de los

reactivos utilizados en el análisis de la mezcla cruda y la evaluación de gases, para la unidad de

calcinación No. 9, se obtuvo lo siguiente:

Tabla No. 2.3.6

SiO2 21.69 %

Al2O3 5.68 %

Fe2O3 4.07 %

CaOCOMB. 64.95 %

MgO 1.11 %



Con estos datos procedemos a calcular el factor de mezcla cruda aproximado en la planta :

Factor de mezcla cruda (FMC) :

02564.110032322

=++++

=MgOCaOOFeOAlSiO

FMCcomb

A continuación realizamos el cálculo para el gasto másico (G1) :

hmGG hornocomb

3

,1 108.8==

Una vez calculado G1, sustituimos en la siguiente ecuación, resolvemos para obtener el flujo másico

del combustible que se inyecta al horno (m1) y H1 :

hkgdGm comb 92.215,7*11 ==

hkjTmCpH comb 64.816,850,341** 1,1401 =∆=

A continuación realizamos el cálculo para el gasto másico (G12) :

hmGG preccomb

3

,12 510.4==

Una vez calculado G12, sustituimos en la siguiente ecuación, resolvemos para obtener el flujo

másico del aire primario (m12) y H12 :

hkgmGm 25.545,32* 11212 ==

hkjTmCpH comb 64.013,235,243** 12,14012 =∆=

Tabla No. 2.3.4, se toman los valores correspondientes al flujo másico del crudo (m5) y clínker (m9):

hkgmm crudo 07.411,2115 ==



hkgmm clinler 00.045,1509 ==

Una vez calculados m5 y m9, sustituimos en las ecuaciones siguientes y obtenemos :

hkjTCpmH crudo 91.134,933,158** ,140055 =∆=

hkjTmCpH clin 55.065,989,12** 9ker,749 =∆=

Tabla No. 2.3.7.

O2 Tprimario,sal,prec. Pamb,Tula Factor Clínker O2 SO2 Cp633,sal,prec.

moles C bar FC moles moles kJ/kgK 0.1073 900 0.7924 1.65 0.0268 0.000477 1.10

AC Cp,primario Temp,amb,Tula Temp,sal,horno CO2 Temp,ent,prec. kJ/kgK C C moles C

15.0918 1.142 25 1100 0.06387 360

El flujo másico m2 del aire primario a la entrada del horno, con la relación de aire combustible (AC) es el, siguiente :

hkgmACm 46.891,49* 12 ==

Después de calcular m2 sustituimos en la ecuación siguiente y obtenemos:

hkjTCpmH primario 67.347.900,52**22 =∆=



Para calcular el flujo másico de los gases generados m7 , se llevo a cabo la siguiente reacción química, considerando los productos y reactivos,

del combustible, así como, el suponer un 20 % de exceso de aire en el proceso:

Tabla 2.3.8

PMC = 12 C= 86.64 = =C/PMC 7.22 Peso Molecular del Aire = 28.97PMN = 14 N = 0.37 = =N/PMN 0.026429 Mol de Aire = 1 PMS = 32 S = 1.53 = S/PMS = 0.047813 Mol de combustible = 1 PMH = 1 H = 10.75 = =H/PMH 10.75

PMO = 16 O = 0.68 = =O/PMO 0.0425 PMCO = 28 CO = 0.00 = CO/PMCO = 0

PMH2O = 18 H2O = 0.00 = H2O/PMH2O = 0

Exceso de Aire = 10 Total = C/PMC + N/PMN + S/PMS + H/PMH + O/PMO = 18.087

C = 0.39919

N = 0.001461212H = 0.594358041 S = 0.002643511

O = 0.002349788

0.39919 C + 0.59436H+ 0.002350 O+ W1 O2 + 0.001461N+ W1*3.76N2 + 0.002644S -----------

W2

CO2 + W3 N2 + W4 H2O + W5 SO2

Balance C : 0.39919 Balance O : 0.549245575Balance H : 0.297179 Balance N :

0.549439885

Balance S :0.002644 Formula aparente:

0.39919 C + 0.59436 H + 0.002350 O + 0.549246 O2 + 0.001461 N + 0.5494399 N2 + 0.002644 S -----------

0.399187 CO2 + 0.549440 N2 + 0.297179 H2O + 0.002644 SO2



Numero de moles de la reacción (nt) = nC + nH + nO + nN + nS = 1.00

Numero de moles de Oxìgeno (no) = nO = nO + (3.76)(nN2)= 2.615140

Masa del combustible (Mcomb) = (nC*PMC) + (nO*PMO) + (nN*PMN) + (nH*PMH) + (nS*PMS) = 5.5272

Masa del Aire (Maire) = 28.97*nO = 75.760

AC = (mol de aire/mol de combustible)*(kg de aire/mol de aire)*(mol de Combustible/kg de combustible) = 13.71

La fórmula de la reacción para un exceso de aire del 0.2 Sería :

0.399187 C+ 0.59436 H+0.002350O+0.604170 O2 +0.001461 N + 0.604384 N2 +0.002644 S -----------

W CO2 2 + W3 N2 + W4 H2O + W5 SO2 + W6 O2

Balance C : 0.399187 Balance O : 0.054924558

Balance H : 0.297179021 Balance N : 0.605114

0.39919 C + 0.59436 H +0.002350 O + 0.659095 O2 +0.001461 N + 0.6600585 N2+ 0.002644 S

n

-----------

0.39919 CO2 + 0.660058 N2 + 0.29718 H2O + 0.002644 SO2 + 0.109849 O2

Numero de moles de la reacciòn (nt) : nt = C + nH + nO + nN + nS = 1.00

Numero de moles de Oxìgeno (no) : nO = nO + (3.76)(nN2)= 3.1409

Masa del combustible (Mcomb) : Mcomb. = (nC*PMC) + (nO*PMO) + (nN*PMN) + (nH*PMH) + (nS*PMS) = 5.5272

Masa del Aire (Maire) : Maire = 28.97*nO = 90.9922

Si hay 20% de exceso de aire, el valor requerido es:

AC = 16.46248 (kg de aire/kg de combustible)



Una vez realizada la reacción química, en la cual obtenemos la relación aire combustible (AC) con

un exceso del 20 %, proponemos la siguiente ecuación :

hkgm

FCmmmm 29.172,2981

51327 =

+++=

Sustituimos m7 en la ecuación siguiente y tenemos :

hkjTCpmH 14.668,154,316**77 =∆=

Precalcinador C

Proponemos la siguiente ecuación para calcular el flujo másico del crudo (m10) a la salida del

precalcinador :

65.19

10 =mm

Despejamos m10 :

hkgmm 31.892,15365.1*910 ==

Tabla No. 2.3.9

Pamb,Tula Temp,sal,torre,aire Cp447 Temp,sal,sep1,aire Cp323 Temp,sal,sep2,aire

bar C kJ/kgK C kJ/kgK C 0.7924 110 1.0174 50 1.0072 428

Temp,amb,agua Temp,�lin,agua Temp,ent,sep1,aire Temp,ent,sep2,aire Temp,sal,sep2,aire Cp,155 C C C C C kJ/kgK 25 395 150 220 155 1.0177

El flujo másico del agua m15 a la entrada de la Torre de Enfriamiento es un valor proporcionado en

planta :

hkgm 00.512,3715 =

Sustituimos m15 en la ecuación siguiente y tenemos :

hkjTCpmH agua 20.287,494,91515 =∆=



En el Separador 2 (Filtro de Grava). Se propone un 2 % de la producción total que se obtiene de

clínker, del total que se obtiene de m9, que se recolecta a la salida del Separador 2:

hkgm 00.045,1509 =

A = 2 % B = 100 % Porcentaje = (A %) / (B %) = 0.02

Teniendo el porcentaje propuesto calculamos el flujo másico de clínker a la salida del separador 2 :

hkgmPm orcentaje 90.000,3* 919 ==

hkjTCpmH clin 47.992,133ker,741919 =∆=

Se propone un 1.5 % del crudo que se alimenta en la Torre de enfriamiento y saber cuanto se

obtiene a la salida, y un 5.9 % para la salida del Separador 1 y de la tabla No. , :

Tabla No. 2.3.10

Cppolvo,395 Cppolvo,395 Temp,amb,Tula Tsal,Sep1 kcal/kgC kJ/kgC C C

0.240 1.0032 25 60

hkgm 31.892,15310 =

A = 1.5 % B = 5.9 % C = 100 %

Porcentaje,1 = A % / C% = 0.015 Porcentaje,2 = B% / C% = 0.059

Una vez obtenidos los porcentajes propuestos para obtener el flujo másico de m17 y m18,

procedemos a calcularlos :

hkgmPm orcentaje 65.079,9* 102,17 ==


hkjTCpmH polvo 99.004,786** 395,1717 =∆=


hkgmPm orcentaje 38.308,2* 101,18 ==

hkjTCpmH polvo 78.831,199** 395,1818 =∆=

Tabla No. 2.3.11 Flujos másicos

de la ecuación : m6 = m9 + m19

despejo m6 : m6 = m9 + m19 = 153,045.90 kg/h

de la ecuación 1: m4 + m6 = m8 + m8' + m3 + m9 =

Despejo m8 : m8 = m4 + m6 - m8' - m3 – m9 = 209,310.54 kg/h

de la ecuación 3 : m7 + m8' + m10 + m12 = m5 + m11 =

Despejo m11 : m11 = m7 + m8' + m10 + m12 - m5 = 441,469.15 kg/h

de la ecuación 4 : m11 + m15 = m13 + m17

Despejo m13 : m13 = m11 + m15 - m17 = 469,901.51 kg/h

de la ecuación 5 : m13 = m14 + m18

Despejo m14 : m14 = m13 - m18 = 467,593.12 kg/h

de la ecuación 6: m8 = m16 + m19

Despejo m16 : m16 = m8 - m19 = 206,309.64 kg/h

Tabla No. 2.3.12 Calores

H6 : H6 = m6*Cp74,clínker*∆T = 177,813,471.04 Kj/h H8 : H8 = m8*Cp,aire,220*∆T = 39,751,902.49 Kj/h H11 : H11 = m11*Cp360*∆T = 144,038,096.61 Kj/h H13 : H13 = m13*Cp447*∆T = 70,936,660.50 Kj/h H14 : H14 = m14*Cp80,sal,sep1*∆T = 62,390,847.51 Kj/h H16 : H16 = m16*Cp155,sal,sep2*∆T = 17,752,016.38 Kj/h



Tabla No. 2.3.13 Flujos másicos que intervienen en el proceso kg/hr

m1 = Flujo másico del Combustible que entra la Horno 7,215.92

m2 = Flujo másico del Aire primario a la entrada del horno 49,891.46

m3 = Flujo másico del Aire Secundario a la salida del Enfriador que entra al Horno 112,936.98

m4 = Flujo másico del Aire Primario a la entrada del Enfriador 487,517.00

m5 = Flujo másico del Crudo a la salida del Horno 211,411.07

m6 = Flujo másico del Clínker a la entrada del Enfriador 153,045.90

m7 = Flujo másico de los Gases generados a la salida del Horno 298,172.29

m8 = Flujo másico de los Gases Generados a la salida del Enfriador a la entrada del Separador 2 209,310.54

m8' = Flujo másico del Aire Terciario a la salida del Enfriador que entra al Precalcinador 168,270.38

m9 = Flujo másico del Clínker a la salida del Enfriador 150,045.00

m10 = Flujo másico del Crudo a la salida del Precalcinador 153,892.31

m11 = Flujo másico del aire a la salida del Precalcinador 441,469.15

m12 = Flujo másico del Crudo a la entrada del Precalcinador 32,545.25

m13 = Flujo másico del aire a la entrada del Separador 1 que sale de la Torre de Enfriamiento 469,901.51

m14 = Flujo másico del aire a la salida del Separador 1 467,593.12

m15 = Flujo másico del agua a la entrada de la Torre de Enfriamiento 37,512.00

m16 = Flujo másico del aire a la salida del Separador 2 206,309.64

m17 = Flujo másico del Crudo a la salida de la Torre de Enfriamiento 9,079.65

m18 = Flujo másico del Crudo a la salida del Separador 1 2,308.38

m19 = Flujo másico del Clínker a la salida del Separador 2 3,000.90



Tabla No. 2.3.14 Calores que intervienen en el Proceso en kJ/hr

H1 = Calor del Combustible que entra la Horno 341,850,816.64

H2 = Calor del Aire primario a la entrada del horno 52,900,347.67

H3 = Calor del Aire Secundario a la salida del Enfriador que entra al Horno 111,869,022.15

H4 = Calor del Aire Primario a la entrada del Enfriador 97,753,136.19

H5 = Calor del Crudo a la salida del Horno 158,933,134.91

H6 = Calor del Clínker a la entrada del Enfriador 177,813,471.04

H7 = Calor de los Gases generados a la salida del Horno 316,154,688.14

H8 = Calor de los Gases Generados a la salida del Enfriador a la entrada del Separador 2 39,751,902.49

H8' = Calor del Aire Terciario a la salida del Enfriador que entra al Precalcinador 102,428,282.58

H9 = Calor del Clínker a la salida del Enfriador 12,989,065.55

H10 = Calor del Crudo a la salida del Precalcinador 4,908,148.93

H11 = Calor del aire a la salida del Precalcinador 144,038,096.61

H12 = Calor del Crudo a la entrada del Precalcinador 234,235,013.22

H13 = Calor del aire a la entrada del Separador 1 que sale de la Torre de Enfriamiento 70,936,660.50

H14 = Calor del aire a la salida del Separador 1 62,390,847.51

H15 = Calor del agua a la entrada de la Torre de Enfriamiento 9,494,287.20

H16 = Calor del aire a la salida del Separador 2 17,752,016.38

H17 = Calor del Crudo a la salida de la Torre de Enfriamiento 786,004.99

H18 = Calor del Crudo a la salida del Separador 1 199,831.78

H19 = Calor del Clínker a la salida del Separador 2 133,992.47



Tabla No. 2.3.15 Balance flujo másico de cada equipo que participa en el proceso

Entra Sale Equipo

Ecuación kg/h Ecuación kg/h

Enfriador m4 + m6 640,562.90 m8 + m8' + m3 + m9 640,562.90

Horno m1 + m2 + m3 + m5 381,455.43 m6 + m7 451,218.19

Precalcinador m7 + m8' + m10 + m12 652,880.22 m11 + m5 652,880.22

Torre de Enfriamiento m11 + m15 478,981.15 m13 + m17 478,981.15

Separador 1 m13 469,901.51 m14 + m18 469,901.51

Separador 2 m8 209,310.54 m16 + m19 209,310.54

Tabla No. 2.3.16 Balance Calor de cada equipo que participa en el proceso

Entra Sale Equipo

Ecuación kJ/h Ecuación kJ/h

Enfriador H4 + H6 275,566,607.23 H8 + H8' + H3 + H9 267,038,272.77

Horno H1 + H2 + H3 + H5 665,553,321.36 H6 + H7 493,968,139.19

Precalcinador H7 + H8' + H10 + H12 657,726,112.87 H11 + H5 420,351,531.15

Torre de Enfriamiento H11 + H15 270,912,683.44 H13 + H17 71,722,665.49

Separador 1 H13 70,936,660.50 H14 + H18 62,590,679.29

Separador 2 H8 39,751,902.49 H16 + H19 17,886,008.85

Tabla No. 2.3.17 Pérdidas de calor de cada equipo que participan en el proceso

Equipo Pérdidas

Ecuación KJ/h % KW

Enfriador H6 + H4 - H3 - H8 - H8' - H9 8,528,334.46 1.32 2,368.98

Horno H5 + H1 + H2 + H3 - H6 - H7 171,585,182.18 26.52 47,662.55

Precalcinador H10 + H8' + H7 + H12 - H11 - H5 237,374,581.72 36.69 65,937.38

Torre de Enfriamiento H11 + H15 - H13 - H17 199,190,017.95 30.79 55,330.56

Separador 1 H13 - H14 -H18 8,345,981.21 1.29 2,318.33

Separador 2 H8 - H16 - H19 21,865,893.64 3.38 6,073.86

Total de Pérdidas 646,889,991.15 100.0 179,691.66



CALOR SENSIBLE DEL COMBUSTIBLE

Para obtener el calor sensible del combustible, se utilizaron los datos proporcionados por

producción. Los cálculos realizados fueron los siguientes :

Tabla No. 2.3.18

CEC Dcomb Cp140,comb Tf1,comb m3/kg kg/m3 kj/kgC C

0.000098975 890 1.94788 167

Cp1400,comb Poder cal FC Tamb,comb

kJ/kgC kJ/kg C

0.91124 3539.73 1.65 25

ker

0880878.0*´clin

combcomb kg

kgdCECCEC ==

ker,,1,140 36498.24)(*´*

clincombambcombfcomb kg

kjTTCpCECSensibleCalor =−=

302.363,150,3*mkjCalPoderDPC comb ==

ker

39.508,277´*clinkgkjPCCECCombustióndeCalor ==

kgkjTTCpFCnetaciónadematerialdelSensibleCalor combambmaterialcomb 15.63)(**lim ,,1400 =−=

Donde :

CEC = Calor específico del combustible



Tabla 2.3.19. Mediciones obtenidas por el Scanner del Horno 9, en Control Central, Dividida en 10 secciones con sus

respectivas distancias.

Horno 9 Mediciones de Tablero

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Distancia 0-4 8-11 12-15 16-19 20-23 24-27 27-31 31-34 35-39 42-46

Fecha 2-Feb-98

m M m m m m m m m m

Maxima 360.00 345.00 276.00 330.00 288.00 322.00 230.00 425.00 350.00 315.00Minima 330.00 255.00 253.00 280.00 288.00 253.00 180.00 222.00 350.00 288.00

Diferencia 30.00 90.00 23.00 50.00 0.00 69.00 50.00 203.00 0.00 27.001 18:00

Hrs.

T Prom. 310.00 275.00 265.00 288.00 288.00 300.00 184.00 360.00 350.00 305.00Máxima 357.80 347.00 314.00 332.80 314.00 320.50 341.50 415.80 411.50 377.80Minima 126.80 223.00 253.00 272.30 296.50 272.30 189.50 199.30 242.00 285.00

Diferencia 231.00 124.00 61.00 60.50 17.50 48.20 152.00 216.50 169.50 92.802

18:25 Hrs


Diferencia 45.00 0.00 0.00 55.00 0.00 0.00 65.00 203.00 57.00 22.003

18:40 Hrs


Diferencia 228.20 129.50 64.30 93.80 102.50 85.50 217.20 281.30 266.80 109.004

18:54 Hrs


Diferencia 203.50 125.20 61.00 113.50 100.20 100.00 239.70 277.30 245.00 103.505

22:30 Hrs

T Prom. 300.50 254.50 375.80 281.00 305.50 305.00 269.50 256.80 306.00 337.0'0



Tabla 2.3.20. Mediciones obtenidas por el Scanner del Horno 9, en Control Central, Dividida en 10 secciones con sus

respectivas distancias.


1 2 3 4 5 6 7 8 9 100-4 8-11 12-15 16-19 20-23 24-27 27-31 31-34 35-39 42-46Distancia m m m M m m m m m m

Maxima 323.50 314.50 310.80 349.80 389.50 396.30 391.80 411.50 396.30 373.00Minima 126.80 236.30 247.80 258.30 292.80 300.30 199.30 165.30 165.30 303.80

Diferencia 196.70 78.20 63.00 91.50 96.70 96.00 192.50 246.20 231.00 69.201

3-Feb-98

T Promedio 281.80 260.80 274.00 296.50 323.30 339.30 306.00 280.30 325.30 340.00Maxima 330.00 320.00 260.00 350.00 360.00 350.00 260.00 370.00 330.00 300.00Minima 260.00 245.00 245.00 288.00 288.00 288.00 203.00 203.00 245.00 288.00

Diferencia 70.00 75.00 15.00 62.00 72.00 62.00 57.00 167.00 85.00 12.002

10:25 Hrs


Diferencia 43.00 90.00 35.00 75.00 83.00 73.00 83.00 205.00 43.00 30.003

14:06 Hrs

T Promedio 288.00 260.00 260.00 330.00 373.00 210.00 350.00 288.00 288.00Maxima 323.50 341.50 310.80 349.80 389.50 396.30 391.80 411.50 396.30 373.00Minima 126.80 236.30 247.80 258.30 292.80 300.30 199.30 165.30 165.30 303.80

Diferencia 196.70 105.20 63.00 91.50 96.70 96.00 192.50 246.20 231.00 69.204

19:15 Hrs


Diferencia 193.70 106.00 59.50 86.00 133.30 90.20 190.50 211.20 226.30 75.005

22:37 Hrs

T Promedio 273.80 258.30 269.30 293.50 318.00 339.30 309.30 285.50 290.50 334.00

330.00



Tabla 2.3.21. Mediciones obtenidas por el Scanner del Horno 9, en Control Central, Dividida en 10 secciones con sus respectivas distancias.


1 2 3 4 5 6 7 8 9 100-4 8-11 12-15 16-19 20-23 24-27 27-31 31-34 35-39 42-46Distanciam m m m M m m m m m

Maxima 329.80 341.50 317.30 355.00 375.30 418.00 384.80 382.50 365.50 335.80Minima 126.80 242.00 263.00 272.30 272.30 292.80 199.30 215.80 178.30 208.00

Diferencia 203.00 99.50 54.30 82.70 103.00 125.20 185.50 166.70 187.20 127.801

4-Feb-98

T Prom. 280.30 264.50 280.00 309.00 312.50 317.50 324.00 329.00 244.80 285.50

Máxima 317.30 332.80 303.80 338.50 352.50 329.80 329.80 380.30 398.50 360.30Minima 126.80 242.00 236.30 247.80 247.80 263.00 165.30 223.00 149.00 165.30

Diferencia 190.50 90.80 67.50 90.70 104.70 66.80 164.50 157.30 249.50 195.001

5-Feb-98

T Prom. 271.50 258.50 264.00 288.00 282.50 285.00 262.80 313.30 244.50 251.80

Máxima 300.30 323.50 300.30 317.30 300.30 310.80 344.30 368.00 405.30 363.00Minima 126.80 242.00 236.30 242.00 242.00 253.00 149.00 189.50 165.30 178.30

Diferencia 173.50 81.50 64.00 75.30 58.30 57.80 195.30 178.50 240.00 184.701

6-Feb-98

T Prom. 255.50 262.50 255.80 279.50 270.50 275.80 250.80 265.50 310.50 308.50



Tabla 2.3.22. Mediciones obtenidas mediante el Infrarrojo del horno9, dividido en 10 secciones Con sus respectivas distancias

Mediciones Físicas

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100-4 8-11 12-15 16-19 20-23 24-27 27-31 31-34 35-39 42-46 Distanciam m M m m m m m m m

TMP 261.00 235.00 227.00 285.00 271.00 175.00 152.00 308.00 121.00 242.00Maxima 262.00 281.00 238.00 311.00 314.00 288.00 282.00 321.00 123.00 262.00Minima 182.00 215.00 196.00 234.00 248.00 175.00 35.00 126.00 104.00 232.00

Diferencia 80.00 66.00 42.00 77.00 66.00 113.00 247.00 195.00 19.00 30.00

1 3-Feb-98 14:20 Hrs

T Promedio 224.30 237.20 222.00 271.50 274.30 262.90 161.50 258.20 115.10 243.40


Diferencia 39.00 83.00 33.00 51.00 106.00 209.00 70.00 145.00 99.00 53.00

2

19:30 Hrs

T Promedio 220.60 245.90 226.50 270.00 287.10 287.50 204.10 291.50 217.40 272.50


Diferencia 47.00 79.00 38.00 25.00 21.00 24.00 66.00 48.00 115.00 11.00

1 4-Feb-98 18:10 Hrs

T Promedio 222.30 249.70 238.00 267.20 253.00 249.60 251.20 242.00 196.60 268.30



De las mediciones hechas con el infrarrojo, del 3 al 4 de febrero de 1998. Debido a las condiciones

de la unidad, ya que en algunos ocasiones, el horno debió ser parado para corregir alguna falla de

paro en el motor del mismo.

Además del poco tiempo empleado en las dos unidades de calcinación 8 y 9.

Primero realizamos, los cálculos para los valores obtenidos de pantalla, medidos a través del

scanner con el cual cuenta el horno No. 9, en le período comprendido del 2 al 6 de febrero de

1998. Los cuales son las tablas 2.3.19, 2.3.20, 2.3.21 haciendo un comparativo con el resultado

que se obtenga de las mediciones hechas por el infrarrojo contenidos en la tabla 2.3.22 y poder

determinar el error de porcentaje3 entre los dos sistemas de medición. Cabe hacer la aclaración,

de que aquí solamente se pudieron obtener mediciones de dos días, que fueron del 3 al 4 de

febrero de 1998.

Asimismo, las temperaturas tomadas para la realización del cálculo, fueron aquellas más uniformes

a lo largo del horno.

Pérdidas por radiación en el horno :

La temperatura del casco del horno es de 288 ºC, diametro = 5.50 m, qm = 15.5 kcal/m2 hºC (valor

tomado de la gráfica de la pag. 143 del Cement Handbook) y longitud del horno = 75 m.

Las pérdidas por radiación y convección del casco del horno, se calculan de la siguiente manera:

( )

•−••=

ker

1

clínCambpromediomh kg

kCalP

TTqsQ

Donde :

Qh = Pérdidas totales por radiación y convección del casco de horno

S = Superficie de radiación y convección en m2

qm = Coeficiente de transferencia del calor para pérdidas de calor en el casco del

horno (kCal/m2hºC

Tpromedio = Temperatura promedio ºC del casco del horno, tablas 25,26,27

Tamb = Temperatura de referencia ºC

PC = Producción de Clínker



Aplicando valores para el area o superficie :

hornohorno LdA ××= π

( )( )( ) 291.295,17550.51416.3 mA ==

( )( ) )(ker

66.3750.288,140

1252885.1591.295,1clín

h kgkCalQ =

−=

kerker

42.15718.466.37clínclín

h kgkJ

kCalkJ

kgkCalQ =

=

Para la tabla 2.3.22, la única variable que cambia de valor es la de la temperatura promedio del

horno, que es de 241.05 ºC, todos los demás valores son los mismos :

( )( ) )(ker

85.2150.288,140

1252005.1591.295,1clín

h kgkCalQ =

−=

kerker

33.9118.485.21clínclín

h kgkJ

kCalkJ

kgkCalQ =

=

Porcentaje de error :

( ) %01.58%100423.15733.91

% =

=eerrororcentajedP

de aquí podemos observar, que el porcentaje de error es muy grande, por lo cual pueden

considerarse, por lo menos dos razones:

1. Que los valores detectados a través de los termopares, no pueden ser muy confiables, debido

quizás a que estos sensores de temperatura se encuentren en condiciones no recomendables y

no se estén detectando las verdaderas temperaturas del horno.

2. Otra razón podría ser que debido a las condiciones de los alrededores afecten las mediciones

hechas con el infrarrojo, ya que puede suceder que mientras en una de las superficies la

corriente de aire sea más fría que otra.

3. Podrían también ocurrir que las mediciones realizadas físicamente, no se hayan hecho

correctamente, por las condiciones y consideraciones para hacer las lecturas.



Capitulo III Tecnologías en la Industria Cementera

3.1 Hornos Industriales

Los hornos son unos elementos productivos, normalmente integrados en un proceso más amplio,

cuya misión es transformar la carga que les llega desde otras unidades con diversos fines:

Conseguir un producto final con unas propiedades que se han fijado en una especificación

previamente.

Preparar la carga para posibilitar su tratamiento en alguna etapa posterior del proceso.

Mejorar la productividad en alguna etapa posterior, dotando el material que se procesa de

determinadas propiedades que lo hacen posible.

Para conseguir los fines propuestos, en el interior del horno la carga sufre un conjunto de

transformaciones bastantes complejas que pueden resumirse en las categorías representadas en la

figura 6.1. Sin embargo, en cada caso particular se producirán las transformaciones específicas

requeridas y no todas las posibles. Además, las transformaciones descritas no son independientes

entre sí y pueden darse simultáneamente o sucesivamente en distintas zonas del horno.

• Calentamiento de la carga y en su caso enfriamiento

CALOR SENSIBLE

• Transformaciones de fase: Secado, fusión, evaporación, recristalización.

• CALOR LATENTE

• Transformaciones químicas sin intervención de los gases

de combustión.

CALOR DE REACCIÓN

• Interacciones fisico-quimicas entre carga y los gases de combustión, oxidación, reducción, carburación, decarburación, nitruración , desulfuración,

INTERIOR DEL

HORNO

¿QUÉ PASA?

Fig. 3.1.- Procesos en el interior del horno.



Para que las transformaciones de la carga sean posibles es preciso hacer diversos elementos en la

operación, que se han representado en la figura 3.2. Como se observa, unos son de carácter

técnico y otros de carácter organizativo.

HORNO

Organización Producción

Explotación Control explotación Mantenimiento

ENERGÍA EFLUENTES Energía Materia

Control y Regulación (técnica)

PRODUCTOOtras etapas del proceso CARGA

Otras etapas del proceso

Aunque en la figura 3.2, no se ha representado, también intervienen factores económicos y

financieros. Todo ello con un fin claro: fabricar un producto competitivo que, por su calidad y

precio, tenga aceptación en el mercado y permita la obtención de un beneficio económico a la

empresa.

Fig. 3.2.- Factores que intervienen en los hornos

En las circunstancias actuales, esto pasa necesariamente por la utilización racional de la energía,

pues ésta representa uno de los componentes del coste de fabricación más destacado.

Clasificación de Hornos. Parámetros que determinan las diferentes concepciones como es sabido,

existe una gran diversidad de tipos de hornos que responden a las exigencias impuestas por el

calentamiento controlado de la carga y por unos condicionantes básicos generales, centrados en

dos aspectos:

La naturaleza de la carga Puede ser:

1. Sólida

• Pulverulenta

• Granulada

• Conformada

2. Líquida

3. Gaseosa

4. Mixta

El objeto del calentamiento Rosa Isela Sánchez Cobos 51


1. Modificación de las características físicas de la carga.

• Secado, fusión, vaporización, fritado, variaciones estructurales, etc.

2. Modificación de las características físico-químicas de la carga.

• Con participación del fluido calefactor

• Sin contacto entre carga y fluido calefactor.

Partiendo de estos condicionantes básicos, existen diversas soluciones constructivas y funcionales,

que se diferencian en uno o más parámetros. A continuación se relacionan los más importantes.

1. Fuente de energía

• Combustible: sólidos, líquido o gaseoso, mixtos.

• Energía eléctrica

• Mixtas

2. Geometría del laboratorio del horno.

• Definida por la esbeltez (relación altura/anchura) en hornos paralepipédicos.

• Forma de canal.

• Tambor.

• Cuba

3. Desarrollo de la combustión

• Chorro libre, desviado de desarrollo limitado.

• Llama refrigerada.

4. Disposición de la carga.

• Desnuda.

• En contenedores abiertos o cerrados.

• A granel.

5. Movimiento de la carga.

• Estacionaria.

• Móvil contracorriente carga-gases.

• Móvil equicorriente carga-gases.

• Por gravedad o forzada.

6. Carga del material en el horno.



• Por vertido.

• En vagonetas.

• Sobre rodillos.

• Sobre conos.

7. Extracción del material una vez procesado. Deshornamiento.

• Tirando.

• Empujando.

• Basculando.

• Colando.

• Bombeando.

• Con vigas de apoyo.

• Transportadores de cinta.

• Tornillos sin fin.

8. Circuitos de gas de salida.

• Sin recuperación directa.

• Con recuperación.

• Con regeneración.

• Otras.

9. Temperatura del horno.

• Baja < 500°C.

• Media 500 < T ≤ 1000°C.

• Alta T > 1000°C.

• Variable según un ciclo previamente programado.

10. Ciclo de trabajo.

• Continuo.

• Discontinuo.

De la simple relación de los parámetros enumerados se desprende la dificultad de elaborar una

clasificación de hornos que incluya pocas categorías.

A continuación hacemos la descripción de alguno tipos de hornos:



Quemadores de Tubos

Radiantes

Clasificación por le régimen de

funcionamiento

Tipo de fuente de energía

térmica

Clasificación por el tipo de uso

3.1.1 Quemadores de Tubos Radiantes.

En hornos de tratamientos térmicos o procesos que requieran la utilización de atmósferas

controladas para proteger la carga contra la oxidación y descarburación o modificar la composición

de la superficie de las piezas (cementación, carbonitruración, etc.) es esencial aislar la carga de los

productos de la combustión en los hornos calentados por combustibles gaseosos o líquidos.

Esta separación se consigue con muflas o contenedores que envuelven a la carga, pero

normalmente se realiza mediante tubos radiantes en cuyo interior se realiza la combustión y cuya

superficie exterior cede calor a la carga por radiación y, a veces, también por convección.

Como combustible, se utilizan normalmente gases licuados de alto poder calorífico (propano,

butano, gas natural, gas batería, etc.) o líquidos de bajo contenido de azufre (gasóleo). No se

emplea combustóleo.

Descripción. El quemador propiamente dicho, situado en un extremo del tubo, puede recibir el

aire a presión o aspirarlo del ambiente.

En el primer caso la presión en el interior del tubo radiante es superior a la del interior del horno y

en caso de rotura o agrietamiento del tubo pasarían los humos al horno con el consiguiente

deterioro de la atmósfera controlada, lo que no ocurre con los quemadores de succión por ser la

presión en el interior del tubo inferior a la atmosférica.

Para aspirar el aire y los humos, en la salida de cada tubo o de varios tubos conectados en

paralelo, se coloca un eyector de tamaño adecuado. Ante el encarecimiento de los combustibles, es

fundamental recuperar el calor de los humos precalentando el aire de combustión, lo que se

consigue en los tubos radiantes con recuperador, tanto de presión como de succión.

Funcionamiento. En los quemadores de tubos radiantes, es fundamental que la combustión se

realice progresivamente a lo largo del tubo para evitar sobrecalentamientos locales, que reducirían

sensiblemente su vida de servicio. Disposiciones más comunes. Los tubos radiantes pueden

distribuirse en muy diversas formas, atendiendo tanto a su longitud como a las características de

servicio y de recuperación del calor de los humos.



3.1.2 Por el tipo de fuente de energía térmica.

Una primera clasificación puede hacerse de acuerdo con el tipo de calentamiento que se va

emplear en el horno, ya que los problemas que se presentan, para su diseño se deben

fundamentalmente a la fuente calorífica que se empleará. Por ello de acuerdo con el medio de

calefacción se tienen dos tipos:

a) Hornos de combustión

b) Hornos de reacción química

Los hornos de combustión son los más usados; en ellos el calor se produce quemando un

combustible orgánico, que puede ser sólido, líquido o gaseoso, o mezclas de ellos. La cantidad de

calor que aporta la reacción de combustión depende del tipo de combustible y su poder calorífico,

la temperatura de llama, el aire suministrado y otros factores que determinan la eficiencia de la

combustión.

3.1.3 Clasificación por el régimen de funcionamiento.

La forma y capacidad de los hornos pueden ser muy variables, ya que se relacionan con los

distintos tipos de tratamiento a efectuar, por ello, también puede clasificarse de acuerdo al manejo

del material durante su calentamiento.

Hornos de tipo caja o intermitentes. Los hornos intermitentes consisten en una cámara

rectangular dentro de la cual la temperatura permanece constante en todo el volumen del horno;

la carga que va a ser calentada permanece todo el tiempo de calentamiento en el horno.

• •

• •

• •

Dentro de la cámara rectangular hay un carro que se empuja periódicamente, ya sea sobre rieles o

sobre la superficie del fondo del horno.

Hornos continuos. Son aquellos en los que la carga pasa a través del horno con una velocidad

adecuada para la distribución uniforme de ella en todas las piezas del horno. Los hornos continuos

son muy comunes en la industria, éstos a su vez pueden ser de diversos tipos:

Hornos de rodillos Hornos con transportadores de cinta

Hornos de empuje Hornos de vigas andantes

Hornos con transportadores de cadena Hornos con sacudidores

3.1.4 Clasificación por el tipo de uso.



Tomando en cuenta el uso que se les da a los hornos, se tiene la siguiente clasificación:

Hornos de cuba. Son los de combustible con calentamiento directo desprendiéndose el calor

en el mismo material a calentar a costa de oxidación del combustible sólido (coque) que forma

parte de la carga. El espacio de trabajo de los hornos de cuba se extiende a lo largo del eje

vertical y forma una cuba de sección redonda o rectangular. Los hornos de cuba tienen amplia

aplicación en la industria y se emplean para producir la fundición de hierro, tostar caliza y

menas sulfurosas, gasificar combustible sólido.

Altos hornos. Los altos hornos modernos tienen un volumen útil de hasta 5000 m3 y constan

de las partes principales siguientes. Dispositivo de carga, tragante, cuba, vientre, etalaje, crisol,

toberas y fondo de crisol.

Con ayuda del dispositivo de carga, cada 5-10 minutos se suministran al tragante una carga de

materiales.

Del tragante se evacuan ininterrumpidamente los gases desprendidos en el alto horno. Los

materiales iniciales, desplazándose hacia abajo por la cuba, que tiene la forma de cono

truncado, que calienta, después de lo cual transcurren los procesos de reducción de los óxidos

de hierro por el monóxido de carbono que se forma en el alto horno al interaccionar el oxígeno

(aire) con el coque.



Tabla 3.1. Clasificación de los hornos industriales por el principio de su construcción y

funcionamiento. TIPO DE HORNO DENOMINACIÓN EJEMPLO DE PROCESOS

Hornos de cemento Formación de los minerales del clinquer de

cemento

Hornos de aglomeración Formación de los aluminatos y silicatos en la

producción de alúmina y materiales sílicos

Hornos de ferrito Formación del ferrito de sodio

Hornos de calcinación Deshidratación del hidróxido de aluminio,

descomposición del bicarbonato de sodio

Hornos de tostación Tostación de la pirita, arcilla, magnesita,

dolomita.

Hornos para producir sodio y

bario Reducción de los sulfatos

Hornos para obtener los

termofosfatos

Descomposición, aglomeración y fusión de

los fosfatos con aditivos

Hornos de cuba

Secadores Secado de las menas, minerales, sales y

otras substancias

Hornos de tostación Tostación de los materiales refractarios,

artículos cerámicos

Hornos de pirólisis Semicoquización del esquistos, pirósilis de

madera

Hornos de cianamina Nitrogenación del carburo de calcio

Hornos de fundir Fusión de la mena de azufre

Hornos de túnel

Secadores Secado de artículos cerámicos



Capitulo IV Tecnologías para Ahorro de Energía en Hornos

4.1 Recuperadores de Calor

Generalidades. Refiriéndonos exclusivamente a los recuperadores de calor utilizados en hornos

industriales, calentados por combustibles líquidos y gaseosos, cabe considerar que la recuperación

del calor de los humos, puede hacerse por:

a) Precalentamiento de la carga.

b) Generación de vapor, calentamiento de agua o aire.

c) Precalentamiento del aire de combustión.

El precalentamiento de la carga es normalmente un método ideal de recuperación de calor,

especialmente en hornos de operación continua; consiste en alargar la cámara de entrada,

haciendo que los humos se pongan en contacto con la carga que avanzan, tal como en los

hornos tipo túnel.

La generación de vapor o el precalentamiento de agua o aire puede ser un medio efectivo si

se piensa en un sistema de calefacción general o local de la fábrica.

El precalentamiento de aire de combustión es, con mucho, el método más utilizado porque

es el más simple y porque utiliza el calor recuperado allá donde se produce.

4.2 Tipos de Recuperadores.

Atendiendo al material empleado en su fabricación se pueden clasificar en metálicos y cerámicos.

Una segunda clasificación se basa en el modo de transmisión del calor de los humos al aire de

combustión; se distinguen normalmente tres grupos:

Recuperadores de radiación

Recuperadores de convección

Recuperadores combinados de radiación/convección.

Corrosión de recuperadores metálicos. Se pueden presentar por:

Oxidación de los materiales metálicos. Se atenúa utilizando aleaciones que soportan hasta

1100°C.

Condensación del ácido sulfúrico en los humos. Se produce a unos 120-150°C.



Formación de sales fundidas, principalmente cenizas de combustóleo. El pentóxido de

vanadio y el sulfato sódico son los componentes realmente críticos.

Ataque por monóxido de carbono en los humos. Es altamente corrosivo a temperatura

del orden de 900°C.

Aislamientos Térmicos I:

Generalidades. El campo de los aislamientos térmicos es extraordinariamente amplio y

complejo.

Aparentemente su único objeto es aislar el interior de los hornos, calderas, conductos, etc., con

un doble propósito.

Reducir las pérdidas de calor.

Conseguir en el entorno unas condiciones ambientales suficientemente aceptables.

Pero realmente las condiciones en el interior pueden ser tales, que la capa interior del

aislamiento térmico deba ser capaz de:

Soportar el ambiente interior (humos, aire en circulación, gases, reductores, etc.).

Contener sin reacción química en términos generales metales o no metales fundidos a

alta temperatura, etc.

Por ello el aislamiento térmico, además de sus características de aislamiento, puede requerir

resistencia al ataque químico, a la abrasión, etc., lo que evidentemente condiciona la elección

del aislamiento y no sólo su temperatura máxima de trabajo.

Dentro del campo de los aislamientos térmicos deben contemplarse los materiales utilizados en:

Técnica criogénica (temperatura inferior a -150°C).

Técnica criogénica (temperatura inferior al ambiente hasta –100/-150°C).

Técnica de aislamientos térmicos a temperatura superior a la del ambiente, en el que se

emplean materiales cuya clasificación, aunque poco científica puede ser:

Productos calorífugos (hasta 100-150°C).

Los materiales utilizados a estas bajas temperaturas son innumerables. Se presentan en

forma de polvo, gránulos, fibras, borras, cartones, placas, coquillas y piezas moldeables.

Señalamos los principales con un valor de la conductividad λ en kcal/mh°C (1 kcal/mh°C

= 1163 W/m°K) a temperatura ambiente.



La conductividad λ de estos materiales varía en proporciones considerables según la

forma en que se presentan, se utilizan o se colocan in situ.

La conductividad térmica del aire seco es 0.018 kcal/mh°C a 0°C, y la humedad influye

notablemente en la conductividad térmica de los materiales (una tela húmeda es 10 a

20 veces más conductora en estado seco).

Productos aislantes (hasta 800-1000°C).

El número de materiales utilizables es aquí mucho más reducido y es posible clasificarlo y precisar

sus propiedades: Los principales o de mayor uso son:

Sílice fósil o diatomita y los materiales derivados.

Carbonato de magnesio y los materiales derivados.

Silicato cálcico.

Las fibras minerales (lanas de vidrio, de escoria, de roca).

Amianto.

Productos Refractarios. Los materiales refractarios son esencialmente productos que

resisten a temperaturas elevadas. Pero esta noción cualitativa e intuitiva, es más difícil de

precisar de lo que parece a primera vista.

Vermiculita.

Arcilla.

Perlita expandida.

Fibras cerámicas.

Productos refractarios.

Productos aislante-refractarios.

Determinación del espesor óptimo de aislamiento. Se toma como ejemplo, el aislamiento

de una bóveda de horno, que opera a 900°C, y se considera para un aislamiento a base de

fibra cerámica de diferentes calidades, con el trazado final de la gráfica para la

determinación del espeso óptimo.

Aislamientos Térmicos II



No se puede hablar de temperatura de fusión de estos materiales por realizarse en una amplia

gama de temperaturas (fusión pastosa), por lo que es mejor definirlos por su resistencia

piroscópica (conos Seger).

Se dice que son refractarios cuando su resistencia piroscópica es superior a 1500°C, y entre

ellos están: las arcillas refractarias, los silicatos, hidratos y óxidos de aluminio, los óxidos tales

como la sílice, magnesia, cromita, circonia, el carbonato y el carburo de silicio, etc.

No existe un producto refractario adecuado para todo, ya que además de su resistencia

piroscópica interviene la resistencia química, la resistencia a la abrasión, etc.

Es normal clasificar los refractarios a partir de su naturaleza mineralógica y así tenemos:

Productos refractarios de aluminio.

Productos de silicio.

Productos de sílice.

Productos básicos a base de magnesia, cromita y domolita.

Productos refractarios no porosos.

Productos refractarios a granel.

Productos refractarios especiales tales como:

Carburo de silicio, circonio, de grafito y carbono, para uso de laboratorio, antiácido, etc.

Productos aislantes refractarios. Para su inclusión este grupo, deben ser por una parte

refractarios y aislantes. Se consideran ya aislantes cuando la conductividad térmica es la mitad

de la correspondiente al material denso de la misma composición.

Sin embargo, cuando la refractariedad o resistencia piroscópica no alcance el 50 %, se

consideran en este grupo todos aquellos materiales cuya temperatura de empleo no es inferior

a 1000°C.

Las propiedades más importantes de los productos aislantes refractarios son:

Conductividad térmica.

Resistencia piroscópica.

Densidad aparente y porosidad.

Resistencia mecánica en frío y en caliente.

Variación de dimensiones en función de temperatura y tiempo.



Resistencia al choque térmico

Resistencia a la acción directa de la llama.

Resistencia a la corrosión.

La posibilidad de aglomerar con los cementos a base de aluminio materiales muy diversos,

permite la fabricación de hormigones aislantes variados.

No se les exige a estos hormigones resistencia mecánica apreciable, sino conseguir una baja

conductividad térmica a base de reducir la densidad (aunque se ha llegado a 0.4 kg/dm3 lo

normal es moverse entre 0.8 y 1.2 kg/dm3).

Se puede utilizar:

1. Con cemento a base de aluminio:

Agregados de refractarios porosos hasta 1100°C.

2. Con cemento superaluminoso

Diatomita o perlita para menos de 800°C.

Vermiculita hasta 1000°C.

Agregados refractarios porosos de alta calidad hasta 1200-1300°C.

Glóbulos de alúmina pura hasta 1600-1650°C.

Regulación y Control de Temperatura, Presión y Flujo

Generalidades. Los hornos de fusión, recalentamiento, tratamiento térmico u otros procesos

industriales, deben operar a una temperatura prefijada o seguir un ciclo determinado de

calentamiento, mantenimiento y enfriamiento a lo largo del tiempo. El objeto es conseguir

dicha temperatura o ciclo de tratamiento en la carga pero es también importante que el horno

no sobrepase una temperatura prefijada para proteger los elementos cerámicos y metálicos de

su interior.

En un horno de llamas una temperatura excesivamente alta en su interior, aún sin llegar a la

máxima admisible del horno, da lugar evidentemente a una temperatura mayor de los humos a

la salida del horno de la que sería normal, lo que disminuye sensiblemente el calor disponible

en el interior y por tanto el rendimiento del horno.

En la casi totalidad de los hornos industriales debe mantenerse en su interior una presión

ligeramente positiva (normalmente de 5 a 25 Pa). Una presión excesivamente alta da lugar a



salida de humos por las puertas, ranuras, aberturas, etc., con el consiguiente peligro de

deterioro del horno y con una disminución notable del rendimiento.

Es por tanto del mayor interés conocer y controlar los parámetros en que se desarrolla la

combustión en un horno y ajustarlos de forma que se alcance la máxima eficacia energética.

Regulación de Temperatura. En un equipo para regulación de temperatura se distinguen

tres elementos fundamentales: el detector propiamente dicho, el aparato de medición y control

que envía una señal de actuación y el órgano de regulación que recibe la señal anterior y actúa

en consecuencia sobre el flujo de combustible o de aire o de la presión en los hornos de llamas

o sobre la entrada de corriente en los hornos calentados eléctricamente.

Como detectores se emplean:

Termómetros de dilatación.

Termómetros de resistencia eléctrica y termistancias hasta 500°C.

Termopares o pirómetros termoeléctricos hasta 1400°C.

Lunetas de radiación a partir de 900°C.

Otros tipos.

Regulación de Presión. Una presión excesiva en el interior del horno da lugar a salida de

humo por las puertas, ranuras, grietas, soplado por juntas de arena, agua, etc., exige mayor

mantenimiento y empeora las condiciones de trabajo de los operarios. Por el contrario una

presión negativa da lugar a infiltración de aire frío, modificando la atmósfera en el interior del

horno, enfría la solera y La carga y reduce el rendimiento ya que es necesario calentar el aire

infiltrado hasta la temperatura de salida de humos.



Capitulo V Ahorro de Energía en los Procesos Existentes

5.1 Sustitución del Proceso vía húmeda a vía seca.

Con este cambio se puede reducir el consumo de energía en una cifra aproximada del 30% y

aumentar la producción de clínquer en un 25 %.

La sustitución consiste en incorporar un intercambiador de dos etapas. Directamente encima de la

primera etapa se sitúa el secador <<flash>> con el fin de recoger los gases de escape caliente a

una temperatura de 500ºC aproximadamente.

El consumo de calor de la planta se puede reducir de las 1500 kcal/kg de clínquer en vía húmeda a

1000 kcal/kg de clínquer una vez realizada la transformación.

Para optimizar el proceso del filtrado se pueden emplear auxiliares de filtración y aumentar la

temperatura del agua. La torta del filtrado se pulveriza y mezcla con crudo en un mezclador.

El producto terminado reúne las condiciones exigidas por el intercambiador de calor, es decir, está

seco, es homogéneo y tiene una granulación apropiada para el proceso.

Como inconvenientes presenta:

- La sustitución no supone una solución por sí misma al problema energético; los fabricantes

de hornos difícilmente garantizan consumos específicos inferiores a las 1000 kcal/kg de

clínquer una vez efectuadas las reformas.

- Las instalaciones transformadas necesitan unos espacios que no siempre se pueden

conseguir.

- Las materias primas pueden obligar a inversiones importantes suplementarias al realizar la

transformación.

Como las instalaciones vía húmeda suelen estar amortizadas y teniendo en cuenta los

inconvenientes anteriores, esta transformación es rentable sólo aparentemente y es necesario un

estudio cuidadoso en cada caso particular.

La sustitución de este tipo se representa en la figura 5.1.



3

1

11

10

9

8

7

6

5

4

2

Filtros Prensa 2 Torta de filtrado 3 Mezclador

orte de crudo

6 Separador de material seco Alimentación de crudo

8 Intercambiador de calor 9 Horno de tubo rotativo 10 Ventilador de intercambiador de calor 11 Instalación de desempolvado

Figura 5.1.Transformación de una planta de horno rotativo existente adaptándola del proceso por vía húmeda al proceso por vía seca.

1

4 Transp5 Secador <<flash>>

7



5.2 Transformación dentro de los procesos vía seca.

La precalcinación flash. La reacción de calcinación en un nivel aproximado del 90 % y que requiere

más de la mitad de las calorías necesarias en el proceso de fabricación del clínquer, se realiza en

un horno estático <<flash>>.

Las calorías al introducir en el propio horno se reducen a la mitad frente al sistema convencional de

precalentamiento del crudo en suspensión y por tanto el rendimiento volumétrico se duplica.

Las ventajas que representa este procedimiento son las siguientes:

Menor tamaño del horno que en los sistemas convencionales para obtener la misma

producción.

•

•

•

Mayor regularidad de marcha

Posibilidad de utilizar en cada uno de los quemadores un combustible, por ejemplo 50 % de

fuel-oil en el quemador de horno y 50% de carbón en el precalcinador.

El precalcinador asegura el abastecimiento al horno de harina cruda homogénea calcinada al grado

requerida. Con la utilización del precalcinador se podrán alcanzar valores en la calcinación del

crudo superiores al 70 % en el exterior del horno.

En instalaciones de más de 3,000 toneladas de clínquer/día, el consumo específico garantizado por

los fabricantes es de 780 kcal/kg de clínquer, similar a los hornos convencionales de vía seca de la

misma capacidad. Utilizando la temperatura del precalcinador con fines de regulación, el grado de

precalcinación puede ser mantenido a un nivel elevado.

5.3 Fabricación de clínquer de cemento portland utilizando materias primas con contenidos de humedad y granulometrías variables.

Este caso se presenta cuando las pastas de clarificación son de crudos finos y los componentes de

la materia prima de grano grueso. El componente principal del crudo es una pasta de clarificación

filtrada, con un 70 % de carbonato cálcico aproximadamente. Esta pasta pasa a formar parte del

crudo resultante en proporciones del 50 al 70 %. Como correctivos de este crudo se utilizan las

materias primas caliza y pizarra arcillosa.

El proceso de la pasta de clarificación, al igual que en los casos anteriores, consiste en hacerla

pasar por un filtro, el mezclador y secador por suspensión. Los componentes de la materia prima,

caliza y pizarra arcillosa se conducen a una instalación de molienda -secado.



Los finos secos y exentos de gruesos, que atraviesan el separador con la corriente de gas, se

separan en ciclones dobles y se conducen a los silos de crudo. El intercambiador de calor de cuatro

etapas, permite una reducción de calor en la zona de sinterización del horno rotativo, así como la

adaptación óptima de la temperatura de los gases de escape para el aprovechamiento del secador

flash.

Debido al aprovechamiento de los gases de escape, el consumo de calor requerido para la

calcinación del clínquer en este proceso se sitúa alrededor de 800 kcal/kg de clínquer.



Capitulo VI Otras Áreas de Oportunidad

6.1 Mejoras en la extracción y preparación de las materias primas.

Es difícil tratar de los métodos de explotación más idóneos y sacar conclusiones prácticas que

tengan como objetivo un ahorro de energía y un menor consumo de explosivos, dada su gran

variedad y complejidad. En la trituración hay que realizar un equilibrio entre la disminución de los

costes energéticos en la posterior molienda y los costes de abrasión de la maquinaria,

normalmente de elevada inversión.

6.2 Mejoras en la dosificación y prehomogeneización.

La vía seca presenta la ventaja de la gran capacidad de almacenamiento, constancia de

propiedades del material alimentado al molino, independencia entre cantera y fábrica y poder

alcanzarse la composición definitiva de mezcla al comienzo del proceso. Su inconveniente está en

una trituración en cantera hasta tamaños inferiores a 50 mm y el acoplamiento de una instalación

de muestreo continuo.

La ventaja energética de este sistema está en una reducción en el consumo de la homogeneización

ya que ésta se puede hacer de forma continua, siempre que lo permita la materia prima.

6.3 Mejoras en el secado y molienda del crudo.

Un balance térmico del conjunto secado-molienda indica que los gases del horno son suficientes

para el secado del crudo incluso con altas humedades. El límite de los fabricantes para un secado

con gases exclusivamente del horno se fija en la actualidad en un 15 % de humedad del crudo. En

la práctica, con unos gases a 350ºC a la salida de este sistema y con baja proporción de aire falso,

el límite se reduce notablemente, pudiéndose estimar en un 8 %.

La limitación a este aprovechamiento es el clima seco o las características de la materia prima

presentando una humedad baja que hace inutilizables los gases.

6.4 Mejoras en la fabricación del clínquer.

La fabricación del clínquer se realiza en el conjunto precalentador-horno-enfriador. Se describirán a

continuación una serie de posibles mejoras en cada uno de ellos:

Precalentamiento de la carga. Aunque parte de los gases del horno, como ya se ha indicado,

pueden favorecer la operación de secado, el excedente normalmente es enviado a la atmósfera Rosa Isela Sánchez Cobos 68


previamente desempolvado. Se deberá intentar reducir el importante calor residual arrastrado

por estos gases, lo que depende del proceso seguido.

Según el tipo de proceso seguido se describirán a continuación una serie de mejoras

encaminadas a aumentar la transferencia de calor y reducir la temperatura de los gases de

salida del horno.

En los hornos largos se emplean cadenas como medio para aumentar la transferencia de calor.

Si el proceso es vía humedad, la pasta al chocar con las cadenas se subdivide en numerosas

fracciones, aumentando notablemente su superficie y facilitando así su precalentamiento.

En los hornos vía semiseca y semihúmeda, las mejoras se centrarán en la parrilla de

precalentamiento. Se establecerá también un óptimo entre la profundidad del lecho de crudo

en la parrilla y la circulación de gases a través de la misma.

El crudo una vez granulado, se precalienta en una parrilla en corriente cruzada con los gases de

escape del horno. La parrilla está dividida en dos cámaras, destinándose la primera al secado y

la otra a la precalefacción. El crudo es calentado desde la temperatura ambiente hasta unos

800ºC entrando en el horno parcialmente descarbonatado, entre un 20 y 30 %. En el grado de

descarbonatación influye fundamentalmente la carga del horno sobre la nominal y la cantidad

de polvo recirculado entre la parrilla y el horno.

Mejoras en el horno.

Disminución de la temperatura de clinquerización. Una posible mejora puede consistir en la

optimización del módulo de fundentes permitiendo para cada crudo rebajar la temperatura

de clinquerización, lo cual se conseguirá con el empleo de fundentes y mineralizadores. Los

mineralizadores favorecen la reacción con la cal libre incluso en ausencia de fusión.

•

•

•

Mejora del aislamiento. Se tratará de mejorar el aislamiento térmico del horno, así como el

de los principales equipos de la instalación y calorifugado de las redes que portan un fluido

caliente.

Enfriamiento del clínquer.

Mejoras en los enfriadores de parrilla. Se deberá tratar de recuperar el calor que se

desprecia en los enfriadores de parrilla. En todas las etapas se inyecta aire frío, pero es

posible establecer un flujo sólido/aire en contracorriente utilizando el aire a unos 250-300ºC

producido en la etapa más fría como aire de refrigeración para la etapa más caliente.



Las mejoras en la recuperación de calor, implican la necesidad de ampliar los enfriadores ya

que un gradiente de temperatura menor corresponde una menor transmisión de calor.

Un enfriamiento lento favorece el crecimiento de los minerales del clínquer, por lo cual debe

controlarse y limitarlo a un valor que no exija energía adicional en la molienda. En las

instalaciones vía semiseca, que utilizan el aire caliente de los enfriadores para el secado, si

tomamos una menor cantidad de aire mayor temperatura, mejorará el rendimiento.

Mejoras en los enfriadores de satélites. El clínquer, que abandona el horno a más de

1,300ºC, es enfriado por medio de una corriente de aire que se utiliza posteriormente como

aire de combustión secundario, enfriándose hasta una temperatura comprendida entre 160

y 300ºC.

•

El rendimiento térmico de este tipo de enfriadores, cuando el horno trabaja a su capacidad

nominal es satisfactorio, llegando incluso la recuperación hasta un 75 % del calor sensible

contenido en el clínquer. Dos ventajas importantes de este sistema son: la sencillez de

funcionamiento del enfriador del clínquer, debido a su unión fija con el tubo del horno y la

ausencia de problemas de contaminación al llegar todo el aire de enfriamiento al horno. En

un enfriador es esencial hacer pasar la mayor parte del calor del clínquer al aire de

enfriamiento.

6.5 Mejoras en la molienda y acabado del cemento.

- Empleo de aditivos para mejorar la molienda en cementos de alta superficie específica Blaine.

El clínquer por tratarse de un material duro, requiere una importante cantidad de energía para

su molienda a la finura adecuada. Algunos aditivos tales como ácido acético y el etilenglicol

pueden utilizarse para conseguir cementos muy finos con reducido consumo de energía.

Las adiciones de cromo pueden activar la formación de cromatos solubles de calcio en el

hormigón, conduciendo a una aceleración de la hidratación del aluminato tricálcico. Por último

será preciso tener en cuenta la influencia que puedan tener las cenizas, en caso de quemar

carbón sobre aditivos.

- Optimización del trabajo de clasificación de los turboseparadores en la molienda de cemento.

Se puede actuar mejorando el turboseparador para reducir el alto porcentaje de finos que

vuelven al molino con los gruesos, hasta un 40 % de finos dan origen a pegaduras en las bolas

dificultando la molienda de gruesos y consumiendo una energía en un material que ya está

molido. También se podrá instalar una segunda etapa de turboseparación que reduzca el Rosa Isela Sánchez Cobos 70


porcentaje de finos en los gruesos que llegan de la primera etapa sacándolos al circuito

principal, disminuyendo el porcentaje de finos en el retorno a la alimentación del molino y

reduciendo, por tanto, los inconvenientes citados anteriormente.

La segunda solución se muestra en la figura 6.1.

Separador 2

Separador 1

Molino Gruesos

Descarga del Molino

Finos del Separador

Carga circulante Alimentación con material nuevo

Figura 6.1. Separadores por aire, circuito cerrado con dos separadores

6.6 Regulación del aire primario en el quemador del horno.

Si el porcentaje de aire primario disminuye aparecen problemas en el control de la llama. Se

forman las llamadas lenguas que pueden tocar al refractario directamente perjudicando su

duración y tocar a la carga de forma irregular introduciendo inquemados que reducen la calidad del

clínquer.

Se debe procurar que la cantidad de aire primario está situada en el 10 a 12 % sobre el total de

aire (primario + secundario). Como el aire de combustión estequiométrico más el exceso de aire es

constante, una disminución en el aire primario equivale a un aumento en el aire secundario.



Si el aire primario es muy bajo, el aumento del aire secundario puede hacer que se presenten

sobrecocciones en el clínquer y sobrecalentamientos en el refractario, en el cual aparecerán las

llamadas <<rosas>>.

El aire primario permite, situado en los valores anteriormente citados, mejorar la capacidad del

intercambiador ya que el aumento en el aire secundario hace que se produzca un aumento de

temperatura en los gases de salida del intercambiador por encima de los 50ºC y una disminución

en la entrada al horno con la consiguiente disminución de la precalcinación.

6.8 El control de la llama.

Cuando se utiliza fuel-oil como combustible una posible mejora estará en el control de la

viscosidad del fuel-oil. Este control puede provocar un efecto secundario de ahorro de energía

cuando la calidad del combustible no requiere el calentamiento al que se le está sometiendo.

Dado que la viscosidad incide muy directamente sobre las características de la llama forma,

luminosidad, poder radiante, y es junto con el exceso de aire un factor influyente en la presencia

de inquemados en los gases, parece interesante controlarla directamente y no a través de la

temperatura de entrada del fuel-oil al quemador.

Si no se adopta esta solución es necesario recurrir a un incremento moderado de la temperatura

del fuel-oil, de la presión de inyección o de está y del caudal de aire primario.

Un posible inconveniente estaría en el contenido en asfáltenos del fuel-oil, el cual no presenta

problemas ya que la llama larga de los hornos de cemento permite la combustión completa de

estos productos a su paso por la longitud de la llama.

El control riguroso de entrada de crudo al horno puede eliminar el inconveniente de los altos

contenidos en azufre del combustible dado que se fija en el clínquer en forma de SO3.

Otra posible mejora estará en la utilización de quemadores mixtos, carbón y fuel-oil o gas, con

regulación total, es decir, que se pueda utilizar el 100 % con cada uno de los combustibles

anteriores.

6.9 Aprovechamiento del aire en los quemadores secundarios.

En las instalaciones intensivas con quemadores para producir la descarbonatación fuera del horno,

sobrará una cantidad importante de aire caliente si éste sólo se emplea en el mechero del horno,

por ello en las instalaciones futuras convendrá situar el enfriador de tal forma que parte de este

aire se pueda utilizar como aire de combustión en los quemadores secundarios.



El aire puede conducirse por medio de una tubería hasta el horno de precalcinación, o bien hasta

una serie de quemadores auxiliares situados sobre la parrilla de precalentamiento en vía semiseca.

También podrá aspirarse dicho aire a lo largo del horno rotativo.

El aire a la entrada de los quemadores secundarios se encontrará a unos 650ºC aproximadamente;

cuando se emplea una tubería como medio de transporte, la velocidad del aire en ella ha de ser la

suficiente para evitar que se deposite el polvo del clínquer a lo largo de la misma.

6.10 Utilización de residuos de carbón y cenizas volantes con alto contenido de inquemados

Las posibilidades de ahorro de energía pueden llevarse a efecto desde la alimentación del crudo al

horno, utilizando ciertos productos con un contenido energético residual, que rebajan el consumo

térmico en el quemador del horno y además pueden contener sustancias correctoras del crudo.

Dichos productos se adicionan al crudo de la misma forma que en el proceso con horno vertical.

Si las materias primas incorporan en la dosificación, residuos de carbón, el contenido en éste

puede ser variable pero siempre superior a un 12 %. Las cenizas volantes es otro producto que

podrá adicionarse eventualmente al crudo, aunque habitualmente se utiliza como un aditivo para

dar finura al cemento, disponiéndose de grandes cantidades de este material en los países que

utilizan carbón en las centrales térmicas.

Las cenizas volantes deben contener un 10 % de material combustible que proporcionará alrededor

de 600 kcal/kg de ceniza. Si se adiciona un 5 % de ceniza al crudo se obtendrán 30 kcal/kg de

cemento.

Las cenizas volantes podrán utilizarse en la precalcinación teniendo en cuenta que los quemadores

de las cenizas deberán ser diseñados cuidadosamente y muy experimentados en función de las

cenizas a quemar en cada caso. Pueden presentarse problemas de finura y composición química.

Otra alternativa consistirá en quemar las cenizas volantes en un quemador auxiliar paralelo al

principal. El inconveniente es este caso estará en los problemas derivados de su composición

química en la zona de sinterización.

Como ya se ha indicado si se utilizan en la molienda del clínquer, deberán estar prácticamente

secas. La presencia de inquemados puede hacer que aparezcan en la superficie partículas

negruzcas que dañan el aspecto del hormigón.



Capitulo VII Otros Posibles Ahorros de Energía

7.1 Control continuo del consumo específico de combustible.

El análisis de gases en la chimenea es función de la composición del crudo y del combustible del

consumo específico del combustible y del exceso de aire. La composición del combustible y del

crudo se pueden conocer perfectamente y en consecuencia una determinación de oxígeno y

anhídrido carbónico en los gases de chimenea permite determinar exactamente el consumo de

combustible y el exceso de aire existente en aquel momento, tal como se representa en la figura

7.1.

1

% O2

Figura 7.1. Diagrama para el seguimiento de gases en la fabricación del cemento.

NOMENCLATURA D = Descarbonatación del crudo en %. n = Aire empleado en función del estequiométrico. CO2 y O2 en gases sobre base seca.

Supuestos operativos Fuel-oil 89 kg/T de clínquer crudo 1,580 kg/T de clínquer, Factor crudo/clínquer 1.58 Factor polvo/clínquer 0.035 Análisis Fuel-oil % C 84.49 H 11.49 S 2.65 Análisis Crudo % Sio2 14.51 Al2O3 3.51 Fe2O3 1.69 CaO 42.49 MgO 0.96 SO3 0.26 K2O 0.82 Na2O 0.12

H2O(c) 1.00

n = 1

n = 1,1

n = 1,2

n = 1,3

n = 1,4 n = 1,5

n = 1,7

n = 1,6

n = 1,8

D = 100

D = 75

D = 25

D = 50

D = 0

10 20 15

35

20 93

% CO2



El conocimiento instantáneo tanto del exceso de aire como del consumo de fuel-oil permite vigilar

mucho más de cerca la instalación, cerrar las entradas de aire falso o corregir cualquier otra causa

que origine el mayor gasto que se esté produciendo. El único problema que presenta este

procedimiento es la obtención de análisis fiables.

Ajuste de la relación clínquer / cemento. Pueden lograrse importantes economías en el consumo

energético empleando adiciones activas, tal como lo contemplan ya algunas Normas o Pliegos de

Condiciones.

Para cada aditivo convendrá definir la proporción en que se puede introducir en mezcla con el

clínquer sin perjudicar las calidades de los hormigones que se fabriquen con tales cementos.

Dentro de cada tipo de cemento se incluyen varias categorías, marcadas por sus propiedades, por

lo cual deberá orientarse al usuario sobre la calidad de los hormigones que se fabriquen con tales

cementos.

Se deberá investigar con mayor profundidad en el campo de los aditivos, para conseguir rebajar

más la relación clínquer/cemento y desarrollar unas futuras normas que permitan una plena

seguridad en su uso. Esto es extraordinariamente importante desde el punto de vista energético,

ya que la admisión de aditivos es una cuestión totalmente ajena a la transferencia de calor.

Aumento de la capacidad unitaria. Para procesos idénticos, el consumo específico se reduce cuando

la capacidad de producción aumenta. La disminución del consumo específico queda reflejada en la

figura 7.2

El aumento de la capacidad de las instalaciones no es en sí misma una solución óptima; el horno se

deberá reservar para aquellas reacciones que no puedan efectuarse fuera del mismo.

Fijación de los álcalis. La composición química de la fase gaseosa a través de las distintas secciones

de un mismo horno o del horno y parrillas o ciclones de precalentamiento varía notablemente como

consecuencia del desprendimiento, a diferentes temperaturas del CO2 de la caliza, del agua de

constitución de los materiales arcillosos y de la humedad del crudo.

Los álcalisis, aunque normalmente se encuentran en bajos porcentajes tanto en el crudo como en

los combustibles, ejercen sus efectos físicos sobre el funcionamiento del horno. En los crudos

pueden presentarse concentraciones de (Na2O+K2O) superiores al 2 %.



El perfil de temperaturas a lo largo del eje de un horno rotativo es de difícil determinación. En el

proceso de fabricación de clínquer existen dos zonas principales:

- La de elevada temperatura, que comprende las zonas de sinterización y calcinación.

- La de baja temperatura, que abarca las zonas de precalentamiento y desecado de

crudo.

500 1000 2000 2500 3000 1500 750

800

850

900

950

1000

1050

500 1000 1500 2000

950

900

850

800

750

1000

Hornos Vía Semiseca Capacidad Nominal 800 t/día el consumo específico disminuye aproximadamente 8 th por cada 100 t de aumento en la capacidad nominal

Capacidad nominal 800 t/día el consumo específico disminuye aproximadamente 25 th por cada 100 t de aumento en la capacidad nominal

Figura 7.2. Variación del consumo específico con la capacidad del horno.

Clínquer /día

Clínquer /día



Como ya se ha indicado, a partir de unos 650ºC la carga del horno empieza a descarbonatarse.

Desde esta temperatura hasta alcanzar aproximadamente los 1,500ºC se van completando

gradualmente los procesos de descarbonatación y clinquerización.

El ciclo de los álcalisis en las fábricas de cemento fue detenidamente por Weber y otros autores.

Los álcalisis se evaporan parcialmente del crudo sometido a cocción, principalmente en la zona de

sinterización, y se combinan con los aniones existentes en los gases formando sulfatos, carbonatos

y cloruros.

El SO2 y el So3, que pueden proceder tanto de la descomposición de los sulfatos presentes en el

crudo como de la oxidación de los compuestos azufrados del combustible forman sulfatos de

elevado punto de fusión (1,075ºC) y difícilmente volatizables, por lo que en proporciones más o

menos importantes pasan al clínquer.

Los álcalisis evacuados con el clínquer pueden afectar al fraguado del cemento si se convierten en

carbonatos alcalinos por acción del Co2 del aire. Sin embargo, la experiencia demuestra que los

álcalisis en forma de sulfatos no ejercen influencia alguna sobre el fraguado.

Si los álcalisis pasan al clínquer en forma de silicatos o alumiantos alcalinos (S12C23K, A3C8K y

A3C8Na), tendencia que se ve favorecida por el incremento en el vapor de agua en los gases del

horno, se combina menos CaO, por lo que no podrá trabajarse con un grado de saturación en cal

demasiado elevado porque resultaría una cantidad excesiva de cal libre.



Capitulo XIII Anexos

8.1 Información General de la Empresa

Información General de la Empresa

Nombre de la empresa Cooperativa Cruz Azul, S.C.L., Planta Hidalgo

Giro al que pertenece Cementera

Dirección, teléfonos y fax Ciudad Cooperativa Cruz Azul, Hidalgo.

(01778) 502 46, Fax. (01778) 502 30

Principales materias primas utilizadas

Nombre de los productos elaborados Cemento Portland, Cemento blanco

Nombre del Director o Gerente General Guillermo Alvarez

Nombre y puesto del responsable del proyecto Ing. Ramsés Dolores Anguiano

Nombres del personal involucrado con el proyecto Ing. Mario Fernando Morán, Ing. José Luis Abad

Turnos de trabajo Lunes a Viernes, sábado y domingo Horario del primer turno 7:00 horas 15:00 horas Horario del segundo turno 15:00 horas 23:00 horas Horario del Tercer turno 23:00 horas 7:00 horas

Total de horas de operación al año 8760 horas

Número de empleados operativos

900

Número de empleados administrativos 300

Tasa de rentabilidad considerada adecuada por la empresa para sus inversiones (%) 11

Período máximo de recuperación considerado adecuado por la empresa 24 (meses)



8.2 Memoria de Cálculo Enfriador A

222

758.234

1416.3*)50.5(4

mdA ltrnasversa ===π

( ) 3

sec,

/017823.0)1173)(08314.0(

)97.28)(06.0(*

*mkg

TRuPP

densidadundariof

mairef ===

( ) 3

,sec,

sec,,´ /014299.0)019.0)(1173(

)06.0)(298)(017823.0(*

*mkg

PTPTdensidad

densidadTulaambundariof

undariofTulaamb ===

014299.0)4)(81.9(2

´**2

=∆

=densidad

pgVel = sm08.74

hm

hs

smVel 18.703,266

13600

08.74 =

=

( )( ) hmmh

mAVelG ltrnasversa

32.3 45.427,336,6758.2318.703,266* ===

hkgGDensidadm 98.936,112)45.427,336,6)(01782345.0(* 33 ===

hkjTCpmh aire 15.869,111)25900)(1321.1)(98.936,112(*sec,33 =−=∆=

AIRE TERCIARIO:

( )30022216.0

)923)(08314.0()97.28(01.0

**

mkg

TRuPmP

DensidadTerciariof

aireTerciariof ===

3,

,, 0000210.0)792419737.0)(923(

)01.0)(1173)(0022216.0(*

**´

mkg

PTPTDensidad

DensidadTulaambTerciariof

TerciariofTulaamb ===

( )sm

DensidadpgVel 79.420,7

0000216.0)85.58)(81.9(2

´2

==∆

=



( ) ( )hmt

DensidadpgVel 47.828,714,263600*

0000216.0)85.58)(81.9(2*

´2

==∆

=

222

8353.24

)1416.3()90.1(4

mdA ltransversa ===π

hmAVelG ltransversa

3

´8 74.215,744,75)8353.2)(47.828,714,26(* ===

hkgGDensidadm 38.270,168)74.215,744,75)(0022216.0(* ´8´8 ===

hkjTCpmH 58.282,428,102)25650)(97394.0)(38.270,168(**´8´8 =−=∆=

3,

9967.0)298)(08314.0()97.28)(8524.0(

*)*(

mkg

TRuPmPDensidad

Tulaamb

aireTotal ===

( )hkgVDensidadm 00.517,487)40.118,489(9967.0* 44 ===

hkjCpTmH aire 19.136,753,97)25220)(0283.1)(517,487(**44 =−=∆=

Horno B

02564.111.195.6407.468.569.21

10010032322

=++++

=++++

=MgOCaOOFeOAlSiO

FMCcomb

hmGG hornocomb

3

,1 108.8==

hkgdGm comb 92.215,7)890)(108.8(*11 ===

hkjTmCpH comb 64.816,850,341)18.4*10100*8050()25167)(92.215,7)(94788.1(** 1,1401 =+−=∆=

hmGG preccomb

3

,12 510.4==



hkgmGm )92.215,7)(4510(* 11212 ==

hkjTmCpH comb 64.013,235,243)18.4*10100*5335()25167)(25.32545)(94788.1(** 12,14012 =+−=∆=

hkgmm crudo 07.411,2115 ==

hkgmm clinler 00.045,1509 ==

hkjTCpmH crudo 91.134,933,158)25850)(91124.0)(07.211411(** ,140055 =−=∆=

hkjTmCpH clin 55.065,989,12)25120)(00.150045)(91124.0(** 9ker,749 =−=∆=

( )( )hkgmACm 46.891,4921592,791.6* 12 ===

( )( )( )hkjTCpmH primario 67.347.900,52259601340.146.891,49**22 =−=∆=

hkgm

FCmmmm 29.172,298)07.411,211(

65.1192.215,798.936,11246.891,491

51327 =

+++=

+++=

hkjTCpmH 14.668,154,316)25960)(1340.1)(29.172,298(**77 =−=∆=

Precalcinador C

( )( )hkgmm 31.892,1530256.1045,15002564.1*910 ===

hkgm 00.512,3715 =

hkjTCpmH agua 20.287,494,9)10.253)(512,37(1515 ==∆=



hkgm 00.045,1509 =

( )( )hkgmPm orcentaje 90.000,3045,15002.0* 919 ===

( )( )( )hkjTCpmH clin 47.992,133257491124.090.000,3ker,741919 =−=∆=

hkgm 31.892,15310 =

( )hkgmPm orcentaje 65.079,9)31.892,153(059.0* 102,17 ===

( )( )( )hkjTCpmH polvo 99.004,7862512091124.065.079,9** 395,1717 =−=∆=

( )hkgmPm orcentaje 38.308,2)31.892,153(015.0* 101,18 ===

( )( )( )hkjTCpmH polvo 78.831,1992512091124.038.308,2** 395,1818 =−=∆=

hkgmmm 90.045,15309.300000.045,1501996 =+=+=

hkgmmmmmm 54.310,20900.045,15098.936,11238.270,16890.045,15300.517,487938́648 =−−−+=−−−+=

hkgmmmmmm 15.469,44107.411,21125.545,3231.892,15338.270,16829.172,29851210´8711 =−+−+=−+++=

hkgmmmm 51.901,46965.079,900.512,3715.469,44117151113 =−+=−+=

hkgmmm 64.309,20638.308,215.469,441181314 =−=−=

hkjTCpmH clin 04.471,813,177)251300)(91124.0)(90.045,153(ker,7466 =−=∆=

hkjTCpmH aire 49.902.751,39)25220)(9739.0)(54.310,209(220,88 =−=∆=



hkjTCpmH 61.096,038,144)25360)(9739.0)(15.469,441(3601111 =−=∆=

hkjTCpmH 50.660,936,70)25180)(97394.0)(51.901,469(1801313 =−=∆=

hkjTCpmH sepsal 51.847,390,62)25162)(91124.0)(12.593,467(

1,,1621414 =−=∆=

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2,,1101616 =−=∆=



8.3 Bibliografía

Estudio Estadístico de Energía Cementera Cruz Azul Sr. Jesús Ocaña Jaramillo 1985-1989 Cemento Pórtland Cruz Azul www.cruzazul.com.mx Diplomado en la Administración y Ahorro Integral de la Energía Módulo I. Administración de la Energía y Diagnósticos Energéticos Ing. Alejandro Delmar Saavedra, Ing. Rubén Torres Gutiérrez ATPAE, A.C. Junio 1997 Diplomado en la Administración y Ahorro Integral de la Energía Módulo IV. Fundamentos de Energía Térmica Dr. Hernando Romero Paredes Rubio, Dr. Juan José Ambriz García ATPAE, A.C. Agosto 1997 Administración y Ahorro de Energía Dr. Juan José Ambriz García, Dr. Hernando Romero Paredes Rubio UAM Iztapalapa 1993 Diplomado de Ahorro de Energía en Combustión Dr. Hernando Romero Paredes Rubio, Dr. Juan José Ambriz García 1987 Tesis. Aplicación de la Metodología Pinch para la Integración Térmica en la Industria Cementera Angel Eduardo Flores Romero, Rafael Maciel Peña, Héctor Hugo Sandoval Castro UAM Iztapalapa 1997 Principio Operaciones Unitarias Foust, Alan S. CECSA Principio Operaciones Unitarias Foust, Alan S. CECSA 5ta Impresión Agosto 1972 Manuales Técnicos y de Instructivos para la Conservación de Energía 2 Generación de Vapor IDAE Centro de Estudios de Energía Manuales Técnicos y de Instructivos para la Conservación de Energía 3 Redes de Distribución de Fluidos Térmicos IDAE Centro de Estudios de Energía


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