Cpi Balances de Calor

8/18/2019 Cpi Balances de Calor

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BALANCES DE CALOR Y ENERGÍA

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN

2. VOLUMEN DE CONTROL

3. UNIDADES DE MEDIDA

4. CALOR SENSIBLE

5. COMBUSTIÓN DEL CARBÓN

6. EFICIENCIA DEL ENFRIADOR

7. EXCESO DE AIRE

8. PÉRDIDAS POR EL CASCO

9. CALOR "NO CONTABILIZADO"

10. BALANCES PRÁCTICOS DE CALOR

11. IMPORTANCIA DE LAS VARIABLES

12. META DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE

13. RESUMEN


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1. INTRODUCCIÓN

En la física tradicional la "energía no es ni creada ni destruida sino convertida de una forma a otra" ylos "sistemas y procesos intercambian energías entre ellos y sus alrededores". Es posible examinarcríticamente cualquier proceso o parte de un proceso y equilibrar las energías de consumo y producciónen un balance térmico.

En la industria del cemento, los balances térmicos han llegado a ser sinónimos del propio proceso delhorno. Esto quizás no es sorprendente ya que el proceso del horno por su naturaleza consiste en undispositivo grande de energía térmica que toma la energía química almacenada en el combustible y laconvierte en energía térmica. Esta energía térmica por su parte proporciona la energía de precalentadoy de inicio para las reacciones de descarbonatación y clinkerización de los materiales al tiempo quepasan por el sistema.

Sin embargo no es razonable limitar la discusión y ejecución de los balances térmicos a los procesos delhorno. Claramente puede ser extendida para incluir la molienda del cemento, la molienda del crudo,

los precalentadores, secadores, etc. o cualquier parte de esos sistemas.

1.1 Objetivos del balance de calor o energía

En un sistema de horno específico, la operación económica depende de la eficiencia térmica. Por justificación del coste, es deseable operar el horno con el menor consumo posible de combustible. Estodebe ser consistente con la mayor producción práctica con una calidad de mercado aceptable. En unbalance de energía las energías suministradas ... consumidas ... y perdidas ... en el sistema bajocondiciones de equilibrio forman la base de una ecuación aritmética. La construcción e interpretaciónde los balances de energía permiten abordar los siguientes objetivos:

• Contabilizar la energía realmente suministrada.

• Permitir la cuantificación de las varias pérdidas que afectan el rendimiento y así ser vigiladascon mayor facilidad.

• Proporcionar un mecanismo para evaluar varias estrategias posibles. Por ejemplo los cambiosen las fuentes de materias primas, los cambios en las configuraciones de la planta o lasmodificaciones al diseño de la planta.

• Proporcionar la base para efectuar un análisis de costes y beneficios de las medidas orientadasa la reducción de la energía.


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2. VOLUMEN DE CONTROL.

2.1 Concepto del Volumen de Control

El volumen de control (Figura 1) es una superficie imaginaria tridimensional que abarca el sistema ydonde se propone determinar las masas y flujos que ocurren por su entorno. El balance de energía serefiere únicamente a los flujos de energía que ocurren dentro de esos límites o entornos.

Algunos de los flujos térmicos pueden ser supuestos usando medidas del sistema más fáciles decuantificar. En ciertos balances puede resultar más fácil mover el límite o línea divisoria a una posiciónen la que tales consumos y producciones pueden ser medidos con mayor facilidad, y donde lasconsecuencias del cambio repercuten con un impacto mínimo sobre el resultado final deseado.Un ejemplo de un volumen de control para un horno de proceso seco con enfriador de parrilla esmostrado en la Figura 2.

Como se puede ver, hay algunos flujos que no pueden ser medidos prácticamente, solo pueden sersupuestos, por ejemplo, como la entrada de aire falso. Las medidas de oxígeno y C0 2 normalmente

permiten la cuantificación de dichos flujos. En otros casos los flujos térmicos como las pérdidas por elcasco son medidos confirmando las velocidades ambientales del aire y midiendo las temperaturas de lasuperficie.

2.2 Intercambio Térmico Interno

El balance térmico ignora las modalidades internas de transferencia térmica. Escogiendo considerarsolo los flujos que ocurren entre los límites, los procesos físicos que ocurren dentro del volumen decontrol no repercuten nada y pueden ser ignorados.

2.3 Condiciones Estables

Aunque puede tener mérito examinar las condiciones transitorias o momentáneas, a menudo no haysuficiente tiempo disponible para cubrir todos los puntos de medición posible dentro de tiemposuficiente para obtener resultados útiles y coherentes. En condiciones estables la alimentación entrantey el producto resultante pueden ser equilibradas. Al mismo tiempo los calores que entran y salen delvolumen de control pueden ser equilibrados.


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3. UNIDADES DE MEDICIÓN

3.1 Unidades Convencionales

La industria del cemento en general usa unidades internacionales normalizadas SI. Para el flujotérmico se emplea la kilocaloría (kcal) y para la masa el kilogramo (kg).

3.2 Unidades USA

En EE.UU., las unidades empleadas son una mezcla de unidades BS para el flujo de calor, la UnidadTérmica británica (Btu), y para la masa, la tonelada corta americana (1 tc=2000 lbs wt).

1 mBtu/tc = 277,78 kcal/kg

3.3 Unidades Métricas Alternas

Crecientemente los combustibles están siendo comprados en base a Mega Julios (MJ) y Giga Julios

(GJ), y en consecuencia algunos fabricantes de cemento también han adoptado estas unidades.

4,1868 MJ = 103 Kcal1, 000 GJ = 103 MJ

Ej. Un combustible con un valor calorífico de 7000 kcal/kg equivale a:

7000 x 4,1868/103 MJ/kg = 29,3 MJ/kg

3.4 Balance de Masa

Una condición previa para componer un balance térmico es el conocimiento de las distintas cantidadesde sólidos y gases que entran y salen del volumen de control del sistema. Como ya hemos indicado,debemos considerar que tenemos condiciones estables y que por tanto es válido el supuesto de laequivalencia del consumo a la producción. (Esto puede no ser estrictamente cierto en todos los casosya que parte de la alimentación puede formar una costra en el horno y por tanto no aparece en laproducción como clínker.) Los flujos de masas en un sistema típico de enfriador de horno están

indicados en la Figura 3.3.5 Temperatura de Referencia

Cualquier balance térmico requiere una temperatura de referencia. Esta es la temperatura con la queson referidas todas las cantidades de calor. Es normal seleccionar un punto de referencia cercano a latemperatura ambiental. En climas moderados la temperatura de referencia seleccionada es 200C,


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4. CALOR SENSIBLE

4.1 Calor y Temperatura

El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1kg de la sustancia 10C. Se deduce que si la misma cantidad de calor es aplicada a distintas sustancias,los resultantes aumentos de temperatura no son los mismos.

Por tanto: Q = m x SH x (T2-T1)

Donde: Q es el calor sensible de la sustanciam es su masaT2 es la temperatura a la que fue elevada la sustanciaT1 es la temperatura inicialSH es el calor específico de la sustancia entre T1 y T2

El calor específico usado en los cálculos es el promedio específico entre las dos temperaturas. Datosespecíficos del calor pueden ser extraídos de textos científicos aunque pueden necesitar algún cálculopara facilitar su empleo. Estos textos normalmente se refieren al Cp (el calor específico a presiónconstante) en el formato de un polinomio:

a + bT + cT2 + dT3

Donde a, b, c y d son constantes de la sustancia y donde T es la temperatura de la sustancia.Por tanto resulta necesario calcular el calor específico en cada temperatura, y después el promedioentre las dos temperaturas antes de poder deducir el contenido de calor.

Ejemplo: Calcular el contenido de calor de 1,8 kg de gas de escape del enfriador a 2000C,usando una temperatura de referencia de 200CEl calor promedio específico del aire entre 200C y 2000C es 0,242 kcal/kg/0C

Q = 1,8 x 0,242 x (200 - 20) Kcal/kgQ = 78,4 Kcal/kg

4.2 Tablas de Calor Específico

Los calores específicos promedios entre 200C y una cierta temperatura, para las distintos sustanciasnormalmente encontradas están indicadas en las Tablas 1 y 2. Los calores específicos para cifrasintermedias de temperatura pueden ser bien estimados o interpolados.


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Existen dos métodos alternos de cálculo:

a) Considera la suma del calor latente (a temperatura de referencia) y el calor requeridopara elevar el vapor desde la temperatura de referencia hasta la temperatura de salida.

b) Considera la suma del calor requerido para elevar la masa de agua desde latemperatura de entrada a 1000C más el calor latente a 1000C más el calor requeridopara elevar el vapor desde 1000C a la temperatura de salida.

La ruta menos compleja (a) es preferida.Ejemplo: Calculemos el calor requerido para evaporar 1 kg de humedad de la pasta por kg de

clínker a 200C y descargar el vapor a la atmósfera a 2000C

CLV (200C) = 584,9 kcal/kg H2OCalor específico del vapor de agua (20 a 2000C) = 0,4526 kcal/0C/kg

Q1 = 1 x 584,9 = 584,9 kcal/kg clínker

Q2 = 1 x 0,4526 x (200 - 20) = 81,5 kcal/kg clínker

Calor Total = 584,9 + 81,5 = 666,4 kcal/kg clínker

4.4 Calor de Reacción

Muchas reacciones químicas requieren energía para que puedan ocurrir. Dichas reacciones son

denominadas ENDOTÉRMICAS, es decir que absorben energía.Un ejemplo de esta reacción es la descarbonatación del carbonato cálcico.

CaC03 + 491,8 kcals/kg > CaO + C02

Las reacciones químicas que ocurren con una liberación neta de energía son llamadas EXOTÉRMICAS.

Un ejemplo de dicha reacción es la formación de C2S.

2CaO + SiO2 > C2S + 171 kcal/kg

Al considerar el proceso de fabricación del clínker, que abarca la descarbonatación y mineralización, esconveniente derivar un calor individual de reacción y tomar en cuenta solo el calor neto de la reacción.Por tanto, la diferencia en calor entre todas las reacciones endotérmicas que absorben calor y todas las

i té i d l d id d l CALOR GLOBAL DE


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Qth = 2,22 At + 6,48 Mc + 7,646 Cc – 5,116 S – 0,59 (F+ Mn) kcal/kg clínker

Donde Qth = calor teórico de la formación del clínker

At = g de A1203 de la arcilla por 100g de clínker

Mc y Cc = g de MgO y de CaO del MgC03 y CaC03 por 100g de clínker

S, F+ Mn = % Si02 y %(Fe203 + Mn203) en clínker libre de pérdida

Para los propósitos más generales la fórmula puede ser empleada con los porcentajes de Al 203, MgO,CaO, Si02 y Fe203 en el clínker sustituidos en la ecuación anterior.

Ejemplo: Un clínker tiene el siguiente análisis. ¿Cuál es el calor teórico?

CaO 66,31%Si02 21,63%

A1203 6.57%

Fe203 2,78%MgO 1,09%

Qth = 2,22 x 6,57 + 6,48 x 1,09 + 7,646 x 66,31 – 5,116 x 21,63 – 0,59 x 2,78

= 416,4 kcal/kg de clínker.

Para el cemento Tipo 1, los calores teóricos están entre 400 a 420 kcal/kg de clínker.

El valor de 420 kcal/kg es normalmente usado cuando se tiene poco conocimiento de la naturaleza delos materiales.

4.6 Efectos de la Composición Química

Los efectos del tipo de mineral de la arcilla, del LSF, de la relación de sílice y de la absorción de laceniza del carbón sobre los calores teóricos están mostrados gráficamente en las Figuras 4a a 4d.

4.7 Combinabilidad

El calor teórico no debe ser confundido con la combinabilidad. La combinabilidad es la facilidad con laque una mezcla de crudo se combina y es normalmente un valor empírico. Los factores que la afectanincluyen la fineza del crudo, la homogeneidad de la mezcla y la presencia de mineralizadores.


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5. COMBUSTION DEL CARBÓN

5.1 Valor Calorífico

Los combustibles generalmente contienen carbón, hidrógeno y oxígeno en proporciones variables. Sonestos elementos los que se oxidan en el proceso de combustión para proporcionar el impulso detemperatura, es decir la combustión es un proceso exotérmico. Los combustibles tienen un valorcalorífico que es la cantidad de calor liberado cuando la unidad de peso del combustible es quemada enpresencia de oxígeno. Las unidades de medición del valor calorífico tienen que ser conmensuradas con

las demás unidades de medición en el balance térmico, es decir kcal/kg.El aparato para determinar el VC está mostrado esquemáticamente en la Figura 5. En este equipo, lamuestra de combustible es introducida en el interior de una "bomba" de acero. La bomba,posteriormente sometida a presión con oxígeno es colocada en un baño de agua con aislamientotérmico. Cuando el peso conocido del combustible contenido en la bomba es encendidoeléctricamente, se calientan ambos recipiente de acero y agua en el baño. El aumento de temperaturaen el baño es medido con precisión de dos o más espacios decimales. El hidrógeno en el combustiblese quema y convierte en vapor de agua y posteriormente se condensa liberando su calor latente. El

cálculo del VC sigue de la suma del producto de masa, calor específico y aumento de la temperatura deambas agua y bomba.

Al condensarse, el calor latente del agua derivada del combustible es transferido a la bomba de acero yal agua, por tanto el calor calculado se llama el "valor de calentado más alto" o VC bruto. El VC con elcalor latente del agua retirado es llamado el "VC neto". En los balances térmicos es normal referirse al

VC del combustible como VC neto en base seca. Sin embargo los ensayos son realizados en base de"secado al aire ".

5.2 Neto y Bruto

Los factores neto a bruto del combustible son calculados a partir de valores conocidos de valorcalorífico bruto del combustible (Cg kcal/kg), y el contenido de hidrógeno (%) del combustible (estoobtenido del análisis del hidrógeno en el combustible en base de secado al aire).

NETO/BRUTO = (Cg- (H x 18/2+M)/100 x 586) / Cg

Donde 586 kcal/kg es el calor latente de la vaporización del agua y M es el contenido absoluto dehumedad (%) del combustible en el que el VC ha sido determinado. El cálculo indicado arribarepresenta la reducción en el consumo bruto de combustible por la fracción de agua formada por lacombustión de esa cantidad de combustible. En este caso la fracción de agua producida delcombustible es multiplicada por el calor latente de vaporización del agua. En el cálculo de lasrelaciones del neto al bruto basado en determinaciones de laboratorio, debe ser entendido que el VC esdeterminado en un combustible "secado al aire". En este caso la humedad en el combustible (M% en


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5.3 Calor Provisto por Combustible

En un proceso seco de horno alimentado por carbón el calor provisto por el combustible es calculado dela manera siguiente.

Valor calorífico del carbón seco VC = 6750 kcal/kg brutoHumedad del carbón al quemado = 5%Consumo de combustible al quemado = 13%

VC neto del combustible = 6750 x 0,96 = 6480 kcal/kgConsumo de carbón seco = 13 x (100-5)/100

= 12,35%= 0,1235 kg carbón/kg clínker

Consumo de calor = 0,1235 x 6480 = 800 kcal/kg

5.4 Productos de Combustión

Un carbón típico contiene carbono, hidrógeno, azufre, oxígeno y nitrógeno; los tres primeros se

queman en oxígeno de la manera siguiente.

C + 02 --> C02 (12kg) (32kg) --> (44kg)

2H2 + 02 --> 2H20(4kg) (32kg) --> (36kg)

S + 02 --> S02

(64kg) (32kg) --> (96kg)

Una cantidad insignificante (desde una perspectiva de balance térmico) de nitrógeno se convierte enóxidos. El oxígeno en el combustible proporciona parte del oxígeno para la combustión. Cuando loselementos se combinan lo hacen en cantidades estequiométricas y los pesos en los que se combinanson múltiples de sus pesos atómicos.

Ejemplo: 0,1235 kg de carbón en nuestro horno de proceso seco se queman en aire.

Supongamos que el contenido de carbono en el carbón era 76%.C02 de combustión del carbón = 0,1235 x 76/100 x 44/12 =0,344 kg C02

Las cantidades de cada uno de los productos de combustión pueden ser calculadas si el análisis esconocido. La Tabla 4 indica una serie de combustibles y análisis típicos. Conocida la temperatura delgas de escape, usando el calor específico indicado antes, el calor sensible de cada uno de los


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6. EFICIENCIA DEL ENFRIADOR

La eficiencia del enfriador es definida así:

Eficiencia = (Calor en aire secundario)/(Calor en clínker del horno)

Es más fácil deducir el calor en el aire secundario que calcularlo. Las mediciones en pirómetro de latemperatura del clínker son relativamente sencillas de determinar en tanto que se vea claramente elclínker saliendo del horno. Una medida de la ineficiencia del enfriador es el calor no recuperado, esdecir saliendo con el gas de escape (medible) saliendo del enfriador en el clínker (medible) e irradiandoa la atmósfera a través del casco del enfriador.

Por balance de masa:

Aire que entra al enfriador = Aire de escape expulsado + Aire usado en aire secundario.

El clínker descargado del horno a 1300 0

C contiene alrededor de 330 kcal/kg de clínker.Si el enfriador es 50% eficiente, el aire secundario contiene 165 kcal/kg.

En la práctica la eficiencia del enfriador aumenta con el flujo de aire secundario que pasa por el.Tomando esto en cuenta la Figura 6 indica la eficiencia del enfriador como función del flujo de airesecundario.


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7. AIRE DE EXCESO

Cuando un combustible es quemado en aire, de tal modo que todo el carbono es quemado totalmenteresultando en C02 y no queda oxígeno en el gas de escape, se dice que la combustión esestequiométrica. En tal situación es prácticamente improbable que solo se produzca CO2. En el entornode bajo volumen de oxígeno en un horno es normal esperar que algo de CO sea producido.

El aire atmosférico contiene 21% de oxígeno por volumen, el resto, a todos los efectos prácticos, esnitrógeno. El aire estequiométrico y por tanto el aire de exceso solo puede ser calculado con precisióna partir del conocimiento del análisis del combustible. Las distintas cantidades de carbono, hidrógeno,nitrógeno, azufre y oxígeno modificarán las cantidades de aire requeridas para concluir la combustión.Por tanto el aire de exceso es una función del combustible. El gas de escape del horno siemprecontendrá nitrógeno ya que éste siempre acompaña al oxígeno en el aire. Si queda oxígeno en el gasde escape tendrá siempre asociada con el una cierta cantidad de nitrógeno.

% Aire de Exceso = 79 x 02 / (0,21 x (100 - C02) - 02)

En esta ecuación 02 se refiere al % en el gas de escape y el C02 es el % de bióxido de carbono que

surge solo de la combustión del combustible. En el proceso de producción de clínker C02 es tambiénproducido por la disociación del crudo (descarbonatación).

7.1 Aire Falso

El hecho de que el aire contiene 21% de oxígeno puede ser usado como medio de identificación decantidades de aire falso. Un flujo medido y una serie de comprobaciones de oxígeno al azar pueden serusados para identificar áreas críticas de entrada en aire falso.

Ejemplo: Un tubo conduce gas a 5% de 02 en su entrada. En su salida, el 02 es medido y secomprueba que es 7%. ¿Cuál es el nivel de entrada de aire falso?

Si y = fracción de entrada de aire falso.

Entonces (1-y) es la fracción del gas de entrada

(1-y) x 5 + y x 21 = 7

Se calcula y:

5 – 5y + 21y = 7

(21-5)y = 7 – 5


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8. PÉRDIDAS POR EL CASCO

El calor es transferido desde las superficies externas del casco del horno (y del enfriador,precalentador, etc.) a los alrededores por dos medios.

El calor es perdido por radiación (Figura 7), según la ecuación:

Qr = AΣC (T24- T3

4) kcal/h

donde: Qr = calor perdido en kcal/h por radiación A = área del casco - m2 T2 y T3 = temperatura absoluta (t°C + 273) del casco y alrededores

respectivamenteΣ = emisividad superficial – casco del horno puede ser supuesta 0,9C = Constante de Stefan – 4,87 x 10-8 kcal/m2h0K

El calor es también perdido por convección. La convección natural tiene lugar según la ecuación:

Qc = 1,66 CA (t2 - t3)1.25 kcal/h

donde: t2 - t3 = temperaturas actuales (°C) del casco y alrededores respectivamenteC = constante (normalmente 1)

Una fórmula modificada es aplicada para considerar los efectos de la velocidad del viento en la forma:

Qc = hA (t2 - t3)

donde h es un coeficiente con valor que depende de un número de factores incluyendo la naturaleza yvelocidad de una corriente de gas. En la práctica, la siguiente aproximación ha sido aplicada:

Qc = A(5,86 + 3,04V) (t2 - t3) kcal/h

donde: V es la velocidad del viento en m/seg (V > 0,3m/seg).

8.1 Temperatura de la Superficie

Midiendo la temperatura a lo largo del casco del horno, se puede estimar la pérdida de calor usando lasecuaciones indicadas arriba. Numerosas medidas tienen que ser tomadas porque existe una granvariación de las temperaturas en varios puntos del casco. También se tienen que tomar medidas delenfriador, precalentador, molino del carbón y las temperaturas de los conductos de conexión, ya queocurre una pérdida sustancial por el casco producida también por estos elementos. Normalmente seusa un nomograma para leer las pérdidas por el casco (véase la Figura 8).

8.2 Pérdidas Típicas Específicas por el Casco


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9. CALOR "NO CONTABILIZADO"

En la realización de cualquier balance térmico, es probable que exista algo de “calor no contabilizado."Esto puede ocurrir debido a una variedad de razones:

• Los consumos instantáneos de combustible ofrecen una mejor perspectiva del rendimiento quela toma de cifras de los antecedentes de producción. Estas últimas cifras inevitablementecontienen combustible consumido en el calentamiento después de paradas y si las paradas sonfrecuentes la diferencia entre el combustible instantáneo y promedio puede ser sustancial.

• La precisión o capacidad de repetición del análisis del gas puede indicar una visión optimistadel aire falso y hacernos llegar a conclusiones sobre un consumo más bajo de combustible queel promedio registrado.

• Las pérdidas por el casco son con frecuencia generalmente subestimadas y registradas concifras menores de la realidad debido a la escala de medidas requeridas para proporcionar unamejor precisión.

El tamaño relativo de este factor nos ofrece alguna medida de la precisión del balance y de los datos enlos que está basado. De todos modos, es necesario recordar que un error en un aspecto puede sercancelado por errores en otros aspectos, resultando en un balance y equívoco.

Aunque los datos imprecisos o la no consideración de ciertos factores son la causa más probable de ungran flujo calor no contabilizado, la posibilidad de condiciones inestables en el momento de efectuarmediciones debe ser también tenida en cuenta. Por ejemplo, se puede apreciar fácilmente que,después de encender un horno frío, el consumo de calor sobrepasará la producción de calor hasta que

aparecen condiciones estables.


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10. BALANCES TÉRMICOS PRÁCTICOS

El cálculo de un balance térmico de la manera descrita anteriormente es largo, y puede requerir datosque no están siempre disponibles. Las simplificaciones pueden estar justificadas.

• Entrada de Calor

En la parte de entrada de calor del balance, es razonable percibir el quemado de combustible comola única fuente de calor, ya que los otros entradas no pasan casi nunca del 1% del total.

• Salida de Calor

En la parte de salida de calor del balance, las cantidades están divididas con mayor uniformidad. Esrazonable suponer un valor de 420 kcal/kg de clínker para el calor teórico del clínker de cementoPortland ordinario (OPC).

• Evaporación de la Humedad

Para el proceso húmedo el calor necesario para vaporizar la humedad de la pasta representa elcomponente mayor en la parte de producción, pero puede ser fácilmente calculado.

El calor para vaporizar el agua combinada en la alimentación y la humedad del carbón puede serignorado si las correspondientes aportaciones en el crudo y en las composiciones del carbón sonpequeñas, es decir menos de 2% y 20% respectivamente.

• Pérdidas en la Salida

El calor sensible en los gases de salida representa la parte más pesada de los cálculos, pero estambién uno de los componentes importantes en el balance. El calor sensible del clínker puede sercalculado con mucha facilidad.

• Pérdidas por el Casco

La pérdida por el casco no puede ser calculada con ninguna precisión sin numerosas medidas detemperaturas por la superficie. En términos generales, la pérdida por el casco puede ser aceptadarondando a 4100 kcal/hr.m2 de superficie, que puede disminuir si el tamaño del horno es másgrande. Sin embargo, los hornos pequeños de proceso húmedo pueden tener pérdidas por el cascotan altas como el 20% del calor consumido y este valor probablemente crea las mayoresimprecisiones.

• Pérdidas en el Polvo


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11. LA IMPORTANCIA DE LAS VARIABLES

Aunque cualquier variable en el balance térmico puede afectar a otra, es posible investigar los efectosde variables específicas de consumo sobre las necesidades de calor del horno sin introducir erroresimportantes. Por ejemplo, las variables investigadas usando esta técnica eran la humedad de la pasta,la temperatura y el oxígeno saliendo del horno, pérdidas en el polvo y pérdidas por el casco. Losresultados de estas variaciones fueron trazados en los gráficos de las Figuras 10 (a) - (e) y sondiscutidos abajo, basados en el ejemplo del balance térmico en un horno de proceso húmedo.

11.1 Humedad del la Pasta

La variación en el contenido de humedad en la pasta repercute con un importante efecto sobre elconsumo de calor. Una reducción de 0,5% en la humedad de la pasta produce una economíaaproximada del 1% en el consumo de carbón. Con el empleo de aditivos idóneos, se pueden obtenermayores reducciones de la humedad de la pasta y por tanto, del consumo de carbón. Por ello esimportante operar con el menor contenido práctico de humedad en la pasta, en beneficio de laeconomía del combustible.

11.2 Temperatura del los Gases saliendo del Horno

La reducción de la temperatura de salida también produce un efecto importante sobre la necesidad decalor. Una reducción del 10°C en la temperatura de salida produce una economía del combustible queronda el 1%. Se puede encontrar alguna limitación con el punto de rocío (que produce corrosión), peroaún las reducciones moderadas pueden producir economías apreciables de combustible.

11.3 Pérdidas en el Polvo

Una gran pérdida de combustible ocurre debido a la pérdida de polvo. Si en el ejemplo de balancetérmico la pérdida de polvo fuera doblada, la necesidad de combustible quedaría multiplicada por unfactor aproximado de 6,5%. En algunos hornos de proceso húmedo, se han registrado pérdidas depolvo alrededor del 20%, una real gran pérdida de combustible. Parte o todo el polvo puede serdevuelto al horno por insuflación en el horno o por cucharones de polvo en el casco del horno,reduciendo así el consumo de combustible.

11.4 Pérdidas por el Casco

Las pérdidas por el casco representan una proporción bastante alta de la pérdida de calor (alrededordel 10% es típica). La reducción de pérdidas por el casco solo puede ser conseguida mejorando elaislamiento del revestimiento del horno, que a menudo no resulta práctico. De todos modos, si unamejora del aislamiento resulta posible, una reducción por ejemplo del 25% de la pérdida por el cascopodría producir una economía del combustible aproximada al 3%.


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11.6 Interacción de las Variables

No es posible aplicar este tipo de estudio de cálculo manual a un sistema práctico con suficienteprecisión ya que considera únicamente los efectos de una variable ignorando los demás. En la práctica,los cambios de una variable de consumo afectan otros aspectos, por ej. cambios en la humedad de lapasta producirán valores cambiados de la temperatura de salida, pérdida de polvo, etc. Sin embargo,el planteamiento de considerar una sola variable saca a la luz el orden de las economías que puedenser alcanzadas con pequeñas mejoras en las variables más importantes, por ej. la humedad de la pasta,la temperatura a la salida, pérdida de polvo, etc. Como el combustible representa una gran proporcióndel coste de producción, está claro que incluso las mejoras modestas en la eficiencia del combustiblemerecen la pena.

En la actualidad existen modelos más complejos, y estos a menudo forma las bases de módulos desimulación de control del horno.


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12. META DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE

El mínimo consumo de calor tiene que superar el calor teórico de 420 kcal/kg. El consumo decombustible está regulado por la eficiencia de la transferencia de calor desde el gas hasta el sólido. Sededuce por tanto que los puntos del sistema en los que el gas y el sólido tienen la mínima diferencia detemperatura entre si (llamados "puntos de convergencia") tienen gran relevancia para el rendimientoque puede ser conseguido en la práctica. Las Figuras 11 y 12 muestran estos puntos de convergenciaen los hornos de proceso húmedo y seco respectivamente.

En los hornos de proceso húmedo los puntos de convergencia ocurren en:

1) la entrada de la alimentación al horno

2) el inicio de la reacción de descarbonatación

3) la temperatura máxima de la alimentación

En los hornos de proceso seco los dos puntos de mínima diferencia de temperatura están en:1) la entrada de alimentación al precalentador

2) el inicio de la reacción de descarbonatación

Por tanto si establecemos límites para estos, tenemos un punto de partida para determinar el límiteaplicable para establecer metas.

La Tabla 5 indica las condiciones usadas como entradas del balance de energía para determinar losbalances térmicos del horno para las operaciones de "mejor teórica" y de "mejor práctica". Esto ofrecelas siguientes cifras de consumo neto de combustible en kcals/kg:

Proceso Húmedo Proceso Seco

Mejor Teórica 798 524

Mejor Practicable 1040 685

12.1 Efecto del tipo de proceso sobre el consumo de combustible

Los balances térmicos típicos para los varios tipos de procesos en horno aparecen en la Tabla 6. Las


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13. RESUMEN

Esencialmente, el balance térmico cuantifica todos los aspectos que incurren alto consumo de energía ytambién posibilita que los cambios en el consumo de energía puedan ser atribuidos a cualesquieracambios específicos en el proceso y esto puede ayudar a establecer un plan de medidas de mejoraspara vigilar correctamente la energía. Así como se desenvuelve el plan de medidas, el balance de caloro de energía indicará las economías reales que están siendo conseguidas. La sencilla presentación delos datos del balance térmico facilita a todos los miembros del equipo de gestión a seguir de cerca elprogreso en marcha y participar en la optimación del consumo de energía.


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FIGURA 1 VOLUMEN DE CONTROL

Leyenda

Product : Producto Feed : AlimentaciónFuel : Combustible Losses : Pérdidas

FIGURA 2HORNO ROTATIVO CON PRECALENTADOR DE SUSPENSION Y

PRECALENTADOR CON ENFRIADOR DE PARRILLA

GASES DE ESCAPE

Y POLVO

ALIMENTACION


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21/36


22/36

FIGURA 4c

CALOR DE REACCIÓN VARIACIÓN SEGÚN RELACIÓN DE SÍLICE

FIGURA 4dCALOR DE REACCIÓN

VARIACIÓN SEGÚN CENIZA ABSORBIDA


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FIGURA 5

VC BRUTO y VC NETO

Calorímetro en baño de agua

Ensayo VC Bruto


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FIGURA 6EFICIENCIA DE RECUPERACIÓNDEL ENFRIADOR DE PARRILLA

CALOR EN AIRE SECUNDARIOCALOR EN CLINKER (DEL HORNO)(%)


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FIGURA 7MODALIDADES DE TRANSFERENCIA DE CALOR


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FIGURA 8

PÉRDIDAS DE CALOR vs. TEMPERATURA DE CASCO

Referencia ambiental 21ºC

Velocidad del viento cero m/s

Velocidad del viento 1,5 m/s


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FIGURA 10

CONSUMO DE CALOR EN EL HORNO


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FIGURA 11

HORNO DE PROCESO HÚMEDO –TEMPERATURA CALCULADA DE GAS Y DE ALIMENTACIÓN

Calor transferido a la alimentación (% total)

FIGURA 12SISTEMA DE HORNO SECO –

TEMPERATURA CALCULADA DE GAS Y DE ALIMENTACIÓN


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TABLA 1CALORES MEDIOS ESPECÍFICOS DE LOS GASES NO DISOCIADOS ENTRE 20°C Y t°C

t°C 02 N2 Aire CO C02 Vapor

H2O S02

20 0,218 0,248 0,240 0,249 0,198 0,435 0,143

100 0 220 0 248 0 240 0 249 0 211 0 447 0 147200 0,223 0,249 0,242 0,250 0,221 0,452 0,150

300 0 227 0 250 0 243 0 252 0 230 0 457 0 154400 0 230 0 252 0 246 0 254 0 238 0 463 0 157500 0 234 0 254 0 248 0 257 0 246 0 471 0 161600 0,237 0,256 0,250 0,259 0,252 0,478 0,164700 0 240 0 258 0 253 0 262 0 258 0 486 0 167800 0 243 0 261 0 256 0 265 0 263 0 495 0 170900 0,245 0,264 0,258 0,268 0,268 0,502 0,173

1000 0 247 0 266 0 260 0 270 0 271 0 5121100 0 249 0 268 0 263 0 273 0 275 0 5191200 0 251 0 271 0 265 0 275 0 278 0 5271300 0,253 0,272 0,267 0,277 0,281 0,532

1400 0 255 0 275 0 269 0 278 0 284 0 5421500 0 256 0 276 0 271 0 280 0 286 0 5471600 0 258 0 278 0 272 0 282 0 289 0 5531700 0 258 0 280 0 273 0 283 0 291 0 5611800 0 260 0 281 0 274 0 285 0 293 0 5671900 0 262 0 282 0 276 0 286 0 294 0 5732000 0,263 0,284 0,277 0,287 0,296 0,578

Más allá de 1500°C la disociación tiene que ser tomada en cuentaDatos para 02, N2, Aire, CO, C02, Vapor H2O de Spiers : Technical Data on Fuel, 1962 Datos para S02 de Perry : Chemical Engineers' Handbook


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TABLA 2CALORES MEDIOS ESPECÍFICOS DE SÓLIDOS ENTRE 20°C Y t 0C

t°C Clínker CaC03 CaO MgC03 MgO S i02 A1203 Fe203

20 0,174 0,19 0,18 0,23 0,21 0,17 0,19 0,15100 0,186 0,20 0,19 0,25 0,23 0,19 - -

200 0,197 0,21 0,20 0,27 - 0,20 0,21 0,17300 0,206 0,22 0,20 0,29 0,24 0,22 - -400 0,214 0,23 0,21 0,30 - 0,22 0,24 0,19500 0,219 0,24 0,21 0,31 0,26 0,24 - -600 0,224 0,24 0,22 0,32 - 0,25 0,25 0,20700 0,228 0,25 0,22 0,26 - - -800 0,232 0,25 0,23 - 0,25 0,27 0,21900 0,234 0,26 0,23 0,28 - - -1000 0,237 0,26 0,23 - 0,26 0,28 0,22

1100 0,241 0,23 0,28 - - -1200 0,247 - 0,27 0,29 0,231300 0,253 0,29 - - -1400 0,261 - 0,28 0,30 0,241500 0,268 0,29

Los calores específicos a valores intermedios de temperatura son determinados con gran facilidadtrazando una curva de calor específico y temperatura por el rango adecuado de temperaturas


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TABLA 3CALORES DE REACCIÓN A 20°C

REACCIÓNCALOR DEREACCIÓN

Kcal/kg

Deshidratación de caolinita

Deshidratación de montmorilonita

Deshidratación de ilita

Deshidratación de óxido férrico hidratado2 Fe(OH)3 - Fe203 + 3 H2O (líquido)

Disociación de carbonato cálcico CaCO3 CaO + CO2

Disociación de carbonato magnésico MgCO3 MgO + CO2

Formación de silicato dicálcico 2CaO + SiO2 C2S

Formación de silicato tricálcico 3CaO + SiO2 C3S

Formación de aluminato tricálcico 3CaO + Al2O3 C3 A

Formación de aluminoferrita tetracálcica4CaO + Al2O3 + Fe2O3 – C4 AF

+ 141,0

+ 39.4

+ 41,7

- 26,0

+ 422,0

+ 310,0

- 171,0

- 126,2

- 3,7

- 20,1

La cantidad de calor se refiere al compuesto subrayado. Los símbolos + y - indican las reaccionesendotérmicas y exotérmicas respectivamente


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TABLA 4 ANÁLISIS DE COMBUSTIBLES TÍPICOS

TIPOS DE COMBUSTIBLE

GASFUELOIL

PESADOGAS OIL COQUE

PET.CARBÓNTÍPICO

CENIZA 0,0 0,0 0,0 0,0 11,0

C 73,3 85,4 86,1 90,0 73,5

H 23,8 11,4 13,2 3,0 4,7

N 2,5 0,0 0,0 2,0 1,4

S 0,0 2,8 0,7 5,0 1,9

0 0,4 0,4 0,0 0,0 7,5

TOTAL 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0

VC (bruto) 12734 10248 10893 8380 7000

VC (neto) 11477 9675 10225 8268 6756

densidad (kg/m3) 0,757 0,96 0,83


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TABLA 5

CONDICIONES SUPUESTAS PARA CALCULAR METAS

HúmedoSeco – Precalentador

Suspensión

MejorTeórica

MejorPracticable

MejorTeórica

MejorPracticable

Humedad de la pasta (%) 25 30 - -

Pérdida polvo en horno(% en clínker) 0 3 0 0

Aire primario(% total aire de combustión)

0 15 0 15

Aire falso

(% total aire de combustión)0 0 0 0

Aire de exceso(% estequiométrico)

0 5 0 5

Pérdida por el casco(kcal/kg de clínker) 0 150 - 100

Temperatura de salida (°C) 150 150 120 -

Dif. mínima de temperatura, T

(°C) - - (68) 120Eficiencia recuperativa delenfriador (%) 100 80 100 70

Meta calculada de consumo decombustible(net kcal/kg clínker)

798 1040*/1140** 524 685

Notas* Se refiere al 25% de humedad en la pasta alimentación** Se refiere al 30% de humedad en la pasta alimentación


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BALANCES DE CALOR Y ENERGÍA 36Cement Performance International LtdCopyright 2003

TABLA 6

CONSUMO TÍPICO DE COMBUSTIBLE POR TIPO DE PROCESO

CONSUMO DECALOR

LARGO HÚMEDO LARGO SECO SEMISECO LEPOL SECO CON 4 ETAPAS PRECALCINADOR DE 4ETAPAS

kcal/kg MBtu/tc % kcal/kg MBtu/tc % kcal/kg MBtu/tc % kcal/kg MBtu/tc % kcal/kg MBtu/tc %

CALOR TEORICO

EVAPORACIÓN

GASES DE SALIDA

PERDIDA EN POLVO

ESCAPE ENFRIADOR

CLINKER

RADIACIÓN

420

529

264

72

20

144

1,51

1,90

0,95

0,26

0,07

0,52

29,0

36,5

18,2

5,0

1,4

9,9

420

312

79

20

122

1,51

0,00

1,12

0,28

0,07

0,44

44,1

0,0

32,7

8,3

2,1

12,8

420

109

97

81

20

79

1,51

0,38

0,35

0,29

0,07

0,28

52,1

13,5

12,0

10,0

2,5

9,8

420

184

83

20

77

1,51

0,00

0,66

0,30

0,07

0,28

53,6

0,0

23,5

10,6

2,6

9,8

420

199

83

20

62

1,51

0,00

0,72

0,30

0,07

0,22

53,6

0,0

25,4

10,6

2,6

7,9

TOTAL 1449 5,22 100,0 953 3,43 100,0 806 2,90 100,0 784 2,82 100,0 784 2,82 100,0

EFICIENCIATÉRMICA (%)

29,0 44,1 52,1 53,6 53,6

Nota 1: Nota 2: Nota 3: Nota 4: Nota 5:H2O evap. = 1/3 del total 12-14% H2O Ningun H2O Ningun H2O Alta pérdida de gas de salida Alta pérdida de gas de salida Baja pérdida de gas de sal. Alta pérdida de gas de salida Alta pérdida de gas de salida Alta pérdida por radiación Alta pérdida por radiación Recuperación de calor ? Menor pérdida de calor espec.

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