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Consideraciones generales para el uso de combustibles alternativos en hornos de cemento

Por Fernando Rojas Venegas, CR

El propósito de este artículo es enunciar consideraciones básicas que deben tomarse en cuenta para minimizar el efecto de cambios de combustibles en la productividad de los hornos de cemento

Marco de referencia En la toma de decisiones operativas relacionadas con el uso de combustibles alternos se interrelacionan (Figura 1) los conceptos de equivalencia de energía que puede aportar cada combustible con la cantidad de gases generados por su combustión y la capacidad instalada de los sistemas de calcinación para manejar variaciones en el caudal de gases. El impacto positivo o negativo de dichas variaciones en la producción de clínker depende fuertemente en mantener la cantidad efectiva de energía requerida en las trasformaciones químicas y de la calidad de la atmósfera interna en la que se desarrolla la combustión. Este análisis toma en consideración no solamente niveles equivalentes de energía térmica entre combustible base y alternativos sino también la equivalencia de volumen de gas por cada kilocaloría sustituida.

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Esta es una manera de poder categorizar diferentes materiales usados como combustible alterno desde el punto de vista de conveniencia operativa. Esto permite preveer ajustes en la operación para hacer mas fluida la transición entre combustibles y/o enfocarse en aprovechar al máximo la rentabilidad potencial de cada alterno. Aunque no se entra en detalle de costeo, se infiere que cada material a ser usado posee margen en la punta de quemador.

Figura 1 Figura 1 Figura 1 Figura 1 EEEEsquema de interrelaciónsquema de interrelaciónsquema de interrelaciónsquema de interrelación

Los valores calculados de sustitución parten de lo que los sistemas actuales pueden manejar. Sin embargo la información generada puede permitir plantear cambios operativos graduales que permitan mejorar las estimaciones presentes.

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EEEEnergía equivalentenergía equivalentenergía equivalentenergía equivalente Se refiere a cambiar la procedencia de la energía aportada por el combustible base o primario por la misma cantidad de energía proveniente de un combustible alternativo.

GGGGasificación equivalenteasificación equivalenteasificación equivalenteasificación equivalente Se refiere a cambiar la procedencia de la masa de gas aportada por el combustible base o primario por la misma cantidad en masa proveniente de un combustible alternativo.

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EsEsEsEstimación de cuantía de gases generadostimación de cuantía de gases generadostimación de cuantía de gases generadostimación de cuantía de gases generados

Figura 2 Esquema estequiometríaFigura 2 Esquema estequiometríaFigura 2 Esquema estequiometríaFigura 2 Esquema estequiometría

Todos los elementos que componen el combustible y que son susceptibles de oxidación, reaccionan en forma completa, desprendiendo energía y liberando todos los productos posibles en su mayor estado de oxidación posible.

•Se toma el oxígeno necesario del aire y el nitrógeno asociado permanece inerte • Todas las masas de combustible se expresan en base seca • Se contempla únicamente el oxígeno requerido según el requerimiento estequiométrico

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Capacidad de arrastre de gasesCapacidad de arrastre de gasesCapacidad de arrastre de gasesCapacidad de arrastre de gases

Normalmente cada sistema de calcinación ha sido diseñado para manejar un número limitado de combustibles en el proceso. El combustible y el grado de descarbonatación son variables críticas para fijar la capacidad de producción, que es a su vez función del arrastre de gases de proceso a cargo del ventilador de tiro inducido principalmente. El vti tiene un ámbito relativamente limitado para compensar aumentos en el volumen de gases de combustión manteniendo constante el nivel de producción de clínker de diseño (Figura 3)

Figura 3Figura 3Figura 3Figura 3 Curva conceptual de operación vti Curva conceptual de operación vti Curva conceptual de operación vti Curva conceptual de operación vti

DPMAXDPACTUAL

CAULDAL MÁXIMO

CAUDAL ACTUAL

CA

IDA

TO

TA

L D

E P

RE

SIÓ

N

CAUDAL VOLUMÉTRICO

CURVA DE OPERACIÓN VTI HORNO

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Función de producción del hornoFunción de producción del hornoFunción de producción del hornoFunción de producción del horno Mediante compilación de datos diarios de producción y kcal/kg ck, se determina por ajuste de regresión un modelo sencillo Este permite estimar la sensibilidad del consumo térmico ante la variación en la producción. Es una curva característica y única para cada horno.( Figura 4) Esta contempla en promedio todas las eficiencias o ineficiencias que estadísticamente han afectado la operación.

Figura 4Figura 4Figura 4Figura 4 Curva Operativa de un Horno Curva Operativa de un Horno Curva Operativa de un Horno Curva Operativa de un Horno

función de producción f(tm)=kcal/kg

Ene

rgía

térm

ica

kcal

/kg

ck

Producción clínker (tm/dia)

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Sensibilidad de Producción ante cambios de combustibleSensibilidad de Producción ante cambios de combustibleSensibilidad de Producción ante cambios de combustibleSensibilidad de Producción ante cambios de combustible

Las curvas (Figura 5) se generan partiendo de la masa de combustible necesario para la cuota de energía requerida (Energía Equivalente) para clinkerizar (aportada por la función de producción). La masa se convierte a volumen. (PV=znRT).

Figura 5 Concepto de curva de gasificaciónFigura 5 Concepto de curva de gasificaciónFigura 5 Concepto de curva de gasificaciónFigura 5 Concepto de curva de gasificación

COMBUSTIBLE BASE

CAUDAL MAXIMO DEL VTI

B A ALTERNO 1

C ALTERNO 2

Producción tope

Cau

dal d

e ga

ses

aarr

asta

r V

TI

Producción diaria clínker

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• El sistema tiene un tope de producción determinado por el caudal máximo de

arrastre del vti, normalmente cercano al caudal que se logra con el combustible base o el de diseño (punto A).

• Alternos con mayor generación de gases por unidad de energía necesaria para la clinkerización efectiva, pueden reducir la capacidad del sistema (punto B) . Puede ser usado como sustituto parcial.

• Alternos de menor relación cantidad de gas por unidad de energía pueden no sólo sustituir al combustible base sino potenciar un ahorro en electricidad. Las mezclas deben diseñarse respetando la curva base. (punto C).

• Los márgenes a la izquierda o derecha de la curva base para un caudal específico explican la gasificación equivalente y su efecto en la producción.

Criterios costo beneficio y Función Criterios costo beneficio y Función Criterios costo beneficio y Función Criterios costo beneficio y Función de Producciónde Producciónde Producciónde Producción

Siempre y cuando se garantice suministro y el criterio de la relación de poder calórico y volumen de gas generado por un alterno sea igual o menor al combustible base se podrá sustituir teóricamente el 100% del combustible base.

• Si dicha relación es ligeramente superior se debe explotar el margen de máxima velocidad del vti (evaluando el costo incremental de los kWh) para buscar la sustitución total.

• Si el sistema está a tope o que su curva de gasificación esté muy por encima de la del combustible base, se debe recurrir a diseñar mezclas alternos/base que cumplan con el criterio de equivalencia de energía y tope de gasificación, lo que daría como resultado sustitución parcial.

• El caso extremo es que por efecto estratégico (incentivos, o disminución de costo real) se decida mermar la producción para procesar el o las mezclas de alterno(s)

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Ejemplos de calificación de Ejemplos de calificación de Ejemplos de calificación de Ejemplos de calificación de combustiblescombustiblescombustiblescombustibles En primera instancia mediante los cálculos estequiometría de combustión completa y el poder calórico de combustible se obtiene el índice gas/energía que entre menor sea es un combustible más atractivo. (Tabla 1) Con los datos de las curvas de gasificación y de función de producción se puede hacer la tipificación de los combustibles para un horno particular. (Figura 6 y tabla 2)

Tabla 1Tabla 1Tabla 1Tabla 1 Infor Infor Infor Información típica combustiblesmación típica combustiblesmación típica combustiblesmación típica combustibles

gas generado poder calórico índice gasificación Combustible kg gas/kg comb kcal/kg kg gas/kcal comb

Polietileno 9,64 10900 0,0009

Poliestireno 14,21 10994 0,0013

Polipropileno 15,71 10516 0,0015

Aceite 15,73 9600 0,0016

PET 9,58 5700 0,0017

Carbón 11,53 6700 0,0017

Hule 15,14 8500 0,0018

Celulosa 8,21 4200 0,0020

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Tabla 2 Índices típicos para un horno Tabla 2 Índices típicos para un horno Tabla 2 Índices típicos para un horno Tabla 2 Índices típicos para un horno examinadoexaminadoexaminadoexaminado

m3/tm ck*COMBUSTIBLE m3/h act /tm ck/h

Polietileno 2.581 Poliestireno 3.360 Polipropileno 3.833

Aceite 4.131 PET 4.186

Carbón 4.215 Hule 4.393

Celulosa 4.871

¨* Incluye CO2 descarbonatación

Figura 6Figura 6Figura 6Figura 6 Caudales de gas en función de la producción para un horno examinado Caudales de gas en función de la producción para un horno examinado Caudales de gas en función de la producción para un horno examinado Caudales de gas en función de la producción para un horno examinado

Relación de gasificación entre carbón, aceite,caucho y celulosa

-

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

800.000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

producción de ck (tm/día)

flujo

de

gase

s (m

3 ac

t/h)

carbón

celulosa

hule

aceite

capacidad de arrastre actual vti

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Ejemplo de análisis sustitución de carbón por cauchoEjemplo de análisis sustitución de carbón por cauchoEjemplo de análisis sustitución de carbón por cauchoEjemplo de análisis sustitución de carbón por caucho Para el caso de este horno, se cuenta con datos históricos de producción diaria de clínker y kcal/kg, (figura 8) esta información se correlaciona y se genera la función de producción y el consumo de carbón requerido. Con la curva del VTI y la coordenada ΔΡ se determina el caudal de arrastre a la condición de operación actual (figura 7 )

Figura 7Curva típica para un ventilador de tiro inducidoFigura 7Curva típica para un ventilador de tiro inducidoFigura 7Curva típica para un ventilador de tiro inducidoFigura 7Curva típica para un ventilador de tiro inducido

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Figura 8 Función de producción para un horno examinadoFigura 8 Función de producción para un horno examinadoFigura 8 Función de producción para un horno examinadoFigura 8 Función de producción para un horno examinado

Curva típica consumo térmico horno según producción de ck

700800900

1.0001.1001.2001.3001.4001.5001.6001.7001.8001.9002.0002.1002.200

100

300

500

700

900

1.10

0

1.30

0

1.50

0

1.70

0

1.90

0

2.10

0

2.30

0

2.50

0

2.70

0

2.90

0

3.10

0

3.30

0producción (tm/día)

kcal

/kg

-

50

100

150

200

250

300

350

400

450

tm c

arbó

n co

nsum

ido

KCAL/KG

TM/DIA CARBON

Cálculos de cantidad de gasCálculos de cantidad de gasCálculos de cantidad de gasCálculos de cantidad de gas generado por combustiblegenerado por combustiblegenerado por combustiblegenerado por combustible El carbón usado genera 11.5 kg de gas de combustión y el caucho 15.14 kg por cada kg de combustible respectivamente. Las cantidades de cada producto de combustión sirven para generar el volumen de gas de arrastre cuando se le adiciona el volumen de descarbonatación (Figuras 9 y 10)

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Figura 9Figura 9Figura 9Figura 9 Estequiometría para un carbón examinado Estequiometría para un carbón examinado Estequiometría para un carbón examinado Estequiometría para un carbón examinado

CARBON BASE 1 kg CARBÓN

% MASA kg pm molesCENIZA 8,08% 0,08 CARBONO 74,83% 0,75 12 0,0624 AZUFRE 0,80% 0,01 32 0,0003 HIDROGENO 5,34% 0,05 2 0,0267 NITROGENO 1,43% 0,01 14 0,0010 OXIGENO 9,52% 0,10 32 0,0030 TOTAL 100,00% 0,0933

CO2 S02 H2O N205 O2 TOTALCARBONO C 2,744 AZUFRE S 0,016 HIDROGENO H2 0,481 NITROGENO N2 0,055 OXIGENO O2 0,095 NITROGENO ASOCIADO N2 6,568 0,026 1,406 0,134 - 11,526

OXIGENO REQUERIDO 1,995 0,008 0,427 0,041 2,472 REACTIVOS PRODUCTOS

C O2 C02 VERIFICEST 1 1 1MASA 12 32 44

12 32 44 0S O2 SO2

EST 1 1 1MASA 32 32 64

32 32 64 0H2 O2 H2O

EST 1 0,5 1MASA 2 32 18

2 16 18 0N O2 N205

EST 2 2,5 1MASA 14 32 108

28 80 108 0

COMPOSICIÓN QUIMICA

PRODUCTOS DE COMBUSTION COMPLETA (kg/kg CARBÓN)

14

Figura 10Figura 10Figura 10Figura 10 Estequiometría para un caucho examinado Estequiometría para un caucho examinado Estequiometría para un caucho examinado Estequiometría para un caucho examinado

BASE 1 kg CAUCHON2 AIRE % MASA kg

CENIZA 0,00% - CARBONO 88,24% 0,88 AZUFRE 0,00% - HIDROGENO 11,76% 0,12 NITROGENO 0,00% - OXIGENO 0,00% - TOTAL 100,00%

CO2 S02 H2O N205 O2CARBONO C 3,24 AZUFRE S - HIDROGENO H2 1,06 NITROGENO N2 - OXIGENO O2 - NITROGENO ASOCIADO N2 7,75 - 3,10 - - 15,14

OXIGENO REQUERIDO 2,352941176 0 0,941176471 0 3,29 REACTIVOS PRODUCTOS

C O2 C02 VERIFICEST 1 1 1MASA 12 32 44

12 32 44 0S O2 SO2

EST 1 1 1MASA 32 32 64

32 32 64 0H2 O2 H2O

EST 1 0,5 1MASA 2 32 18

2 16 18 0N O2 N205

EST 2 2,5 1MASA 14 32 108

28 80 108 0

COMPOSICIÓN QUIMICA

PRODUCTOS DE COMBUSTION COMPLETA (kg/kg caucho)

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SeSeSeSecuencia de cálculo del volumen de gasificación del combustiblecuencia de cálculo del volumen de gasificación del combustiblecuencia de cálculo del volumen de gasificación del combustiblecuencia de cálculo del volumen de gasificación del combustible • Se ejecuta el ejercicio para producciones de ck incrementales. • Se requiere adicionalmente fijar:

• temperatura de gas a la entrada del vti • pérdida al fuego de la harina (estimar descarbonatación) • calcular la masa molar promedio de los gases, para transformar de masa a

volumen. • Se emplea a manera de ejemplo ecuación de gas ideal PV =ZnRT, asumiendo

Z=1 Figura 11Figura 11Figura 11Figura 11 Flujo de cálculo Flujo de cálculo Flujo de cálculo Flujo de cálculo

DDaattooss ddee pprroocceessoo

PPcc ccoommbbuussttiibbllee

AAnnáálliissiiss ddee ccoommbbuussttiibbllee

DDaattooss ddee hhaarriinnaa

estequiometría

kg gas/kg comb

m3 act /h

PPrroodduucccciióónn ddee ccllíínnkkeerr ttmm//ddííaa

FFuunncciióónn ddee pprroodduucccciióónn

kcal/kg ck

Requerimiento de combustible tm/día

CCuurrvvaa vvttii

CCuurrvvaa ggaassiiffiiccaacciióónn

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Figura 12Figura 12Figura 12Figura 12 Flujo de para dos combu Flujo de para dos combu Flujo de para dos combu Flujo de para dos combustibles examinados y un horno particularstibles examinados y un horno particularstibles examinados y un horno particularstibles examinados y un horno particular

Para la condición de operación o línea base de producción diaria se debe considerar

• Sólo usando carbón se genera 545500 m3a/h • Solo usando caucho se generan 568200 m3a/h

Se observa: • curva de caucho está por encima de la del carbón, lo que indica que a lo sumo

puede ser un sustituto parcial manteniendo el nivel de producción actual

• Si se lograra operar con 100% caucho el sistema mermaría su producción de 3100 tm/día a 2900 tm/día aproximadamente. Por lo tanto es necesario determinar la mezcla de combustible óptima, teniendo en consideración adicional que el modelo actual considera al horno como hermético, por lo que el flujo calculado no toma en cuenta aire falso

Relación de gasificación carbón y hule

-

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

producción de ck (tm/día)

flu

jo d

e g

ases

(m

3 ac

t/h

)

capacidad de arrastre actual vti

Relación de gasificación carbón y hule

-

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

producción de ck (tm/día)

flu

jo d

e g

ases

(m

3 ac

t/h

)

capacidad de arrastre actual vti

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Análisis de mezcla, carbón cauchoAnálisis de mezcla, carbón cauchoAnálisis de mezcla, carbón cauchoAnálisis de mezcla, carbón caucho TTTTabla 3abla 3abla 3abla 3 Datos numéricos Datos numéricos Datos numéricos Datos numéricos para flujo para flujo para flujo para flujo de mezclas de carbón y caucho examinadosde mezclas de carbón y caucho examinadosde mezclas de carbón y caucho examinadosde mezclas de carbón y caucho examinados

%Carbón%Carbón%Carbón%Carbón %Caucho%Caucho%Caucho%Caucho tm gases tm gases tm gases tm gases carbóncarbóncarbóncarbón

tm gases tm gases tm gases tm gases cauchocauchocauchocaucho

tm totalestm totalestm totalestm totales pm promediopm promediopm promediopm promedio m3/día gasesm3/día gasesm3/día gasesm3/día gases m3/h gasesm3/h gasesm3/h gasesm3/h gases

100 0 7784 0 7784 32,1 13092875 545536

95 5 7395 397 7792 32,1 13119571 546649

90 10 7006 794 7800 32,1 13146322 547763

85 15 6616 1191 7907 32 13173129 548880

80 20 6227 1588 7815 32 13199991 550000

75 25 5838 1985 7823 32 13226909 551121

70 30 5449 2382 7831 31,9 13253882 552245

65 35 5060 2779 7839 31,9 13280912 553371

60 40 4670 3176 7847 31,9 13307998 554500

55 45 4281 3573 7854 31,8 13335140 555631

50 50 3892 3970 7862 31,8 13362338 556764

45 55 3503 4367 7870 31,8 13389593 557900

40 60 3114 4764 7878 31,7 13416905 559038

35 65 2724 5161 7886 31,7 13444275 560178

30 70 2335 5558 7894 31,7 13471701 561321

25 75 1946 5955 7901 31,6 13449185 562466

20 80 1557 6352 7909 31,6 13526726 563614

15 85 1168 6750 7917 31,6 13554325 564764

10 90 778 7147 7925 31,5 13581982 565916

5 95 389 7544 7933 31,5 13609697 567071

0 100 0 7941 7941 31,5 13637470 568228

Producción de 3100 tm/díaSólo usando carbón se genera 545500 m3a/h. Sólo usando caucho se genera 568228 m3a/h. @ 100% carbón se generan 7784 tm/día de gases. @ 100% caucho se generan 7941tm/día de gases. Capacidad máxima actual de vti es 552 000 m3a/h. Se contempla 2% de aire falso en el sistema. Se genera curva ponderando la participación de cada combustible. El volumen máximo en condiciones actuales se alcanza con una alcanza con una alcanza con una alcanza con una sustitución térmicasustitución térmicasustitución térmicasustitución térmica del 30% en del 30% en del 30% en del 30% en el sistema ( 25% caucho en masa). Para la sustitución Para la sustitución Para la sustitución Para la sustitución térmica, si se sigue el patrón de reparto de energía 60/40 calcinador horno, podría térmica, si se sigue el patrón de reparto de energía 60/40 calcinador horno, podría térmica, si se sigue el patrón de reparto de energía 60/40 calcinador horno, podría térmica, si se sigue el patrón de reparto de energía 60/40 calcinador horno, podría estimarse 18% en elestimarse 18% en elestimarse 18% en elestimarse 18% en el calcinador y 12% en el tubo del calcinador y 12% en el tubo del calcinador y 12% en el tubo del calcinador y 12% en el tubo del hornohornohornohorno

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Análisis de mezcla carbón celulosaAnálisis de mezcla carbón celulosaAnálisis de mezcla carbón celulosaAnálisis de mezcla carbón celulosa Tabla 4Tabla 4Tabla 4Tabla 4 Datos numéricos para flujo de mezclas de carbón y celulosa examinadosDatos numéricos para flujo de mezclas de carbón y celulosa examinadosDatos numéricos para flujo de mezclas de carbón y celulosa examinadosDatos numéricos para flujo de mezclas de carbón y celulosa examinados

%Carbón%Carbón%Carbón%Carbón %Celulosa%Celulosa%Celulosa%Celulosa tm gases tm gases tm gases tm gases carbóncarbóncarbóncarbón

tm gases tm gases tm gases tm gases celulosacelulosacelulosacelulosa

tm totalestm totalestm totalestm totales pm pm pm pm promediopromediopromediopromedio

m3/día gasesm3/día gasesm3/día gasesm3/día gases m3/h m3/h m3/h m3/h gasesgasesgasesgases

100 0 7784 0 7784 32,1 13092888 545537

95 5 7395 437 7832 32,1 13191775 549657

90 10 7006 874 7880 32 13290936 553789

85 15 6616 1312 7928 32 13390371 557932

80 20 6227 1749 7976 32 13490082 562087

75 25 5838 2186 8024 31,9 13590070 566253

70 30 5449 2623 8072 31,9 13690335 570431

65 35 5060 3060 8120 31,8 13790879 574620

60 40 4670 3497 8168 31,8 13891704 578821

55 45 4281 3935 8216 31,7 13992809 583034

50 50 3892 4372 8264 31,7 14094197 587258

45 55 3503 4809 8312 31,6 14195869 591495

40 60 3114 5246 8360 31,6 14297826 595743

35 65 2724 5683 8408 31,6 14400069 600003

30 70 2335 6121 8456 31,5 14502599 604275

25 75 1946 6558 8504 31,5 14605418 608559

20 80 1557 6995 8552 31,4 14708526 612855

15 85 1168 7432 8600 31,4 14811925 617164

10 90 778 7869 8648 31,3 14915617 621484

5 95 389 8306 8696 31,3 15019602 625817

0 100 0 8744 8744 31,2 15123881 630162

Producción de 3100 tm/día ck Sólo usando carbón se generan 545500m3a/h. Sólo usando celulosa se genera 630162m3a/h. @ 100% carbón se generan 7784 tm/día de gases. @ 100% celulosa se generan 8,744 tm/día de gases. Capacidad máxima actual de vti es 552 000 m3a/h. Se contempla 2% de aire falso en el sistema. Se genera curva ponderando la participación de cada combustible. El volumen máximo en condiciones actuales se alcanza con una sustitución térmica deuna sustitución térmica deuna sustitución térmica deuna sustitución térmica del 10% en el sistemal 10% en el sistemal 10% en el sistemal 10% en el sistema. . . . Para la sustitución térmica, Para la sustitución térmica, Para la sustitución térmica, Para la sustitución térmica, si se sigue el patrón de reparto de energía 60/40 calcinador horno, podría estimarse 6% si se sigue el patrón de reparto de energía 60/40 calcinador horno, podría estimarse 6% si se sigue el patrón de reparto de energía 60/40 calcinador horno, podría estimarse 6% si se sigue el patrón de reparto de energía 60/40 calcinador horno, podría estimarse 6% en el calcinador y 4% en el tubo del horno.en el calcinador y 4% en el tubo del horno.en el calcinador y 4% en el tubo del horno.en el calcinador y 4% en el tubo del horno.

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Caso mezclas de varios alternosCaso mezclas de varios alternosCaso mezclas de varios alternosCaso mezclas de varios alternos En caso del mismo horno, teniendo disponibilidad de caucho y biomasa (chips de madera) se aplica el criterio por índice de gasificación para determinar la conveniencia relativa de cada uno. (tabla2) En caso del mismo horno, teniendo disponibilidad de caucho y biomasa (chips de madera) se aplica el criterio por índice de gasificación para determinar la conveniencia relativa de cada uno. (tabla2) Por lo expuesto, debe preferirse una mezcla predominante en hule

Tabla 5 Memoria de cálculo para mezclasTabla 5 Memoria de cálculo para mezclasTabla 5 Memoria de cálculo para mezclasTabla 5 Memoria de cálculo para mezclas Una primera Una primera Una primera Una primera aproximaciónaproximaciónaproximaciónaproximación de la composición de la mezcla de alternos se obtiene usando el índice m3/tm ck con la consigna de obtener un índice similar al del carbón. (Tabla 5)

La mezcla de alternos hule y celulosa se apLa mezcla de alternos hule y celulosa se apLa mezcla de alternos hule y celulosa se apLa mezcla de alternos hule y celulosa se aproxima a unaroxima a unaroxima a unaroxima a una participación en enerparticipación en enerparticipación en enerparticipación en energía de gía de gía de gía de 79% hule y 21% celulosa 79% hule y 21% celulosa 79% hule y 21% celulosa 79% hule y 21% celulosa (tabla 6) (tabla 6) (tabla 6) (tabla 6)

TTTTabla 6 Resultado de mezclasabla 6 Resultado de mezclasabla 6 Resultado de mezclasabla 6 Resultado de mezclas

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Análisis de mezcla carbón, caucho y celulosaAnálisis de mezcla carbón, caucho y celulosaAnálisis de mezcla carbón, caucho y celulosaAnálisis de mezcla carbón, caucho y celulosa

Tabla 7 Tabla 7 Tabla 7 Tabla 7 Datos numéricos para flujo de mezclas caucho celulosa carbónDatos numéricos para flujo de mezclas caucho celulosa carbónDatos numéricos para flujo de mezclas caucho celulosa carbónDatos numéricos para flujo de mezclas caucho celulosa carbón.%Carbón%Carbón%Carbón%Carbón %Caucho%Caucho%Caucho%Caucho %Celulosa%Celulosa%Celulosa%Celulosa tm gases tm gases tm gases tm gases

carbóncarbóncarbóncarbón tm gases tm gases tm gases tm gases cauchocauchocauchocaucho

tm gastm gastm gastm gases es es es celulosacelulosacelulosacelulosa

tm tm tm tm totalestotalestotalestotales

pm pm pm pm promediopromediopromediopromedio

m3/h m3/h m3/h m3/h gasesgasesgasesgases

100 0 0 7784 0 0 7784 32,1 545537

95 4 1 7395 312 93 7800 32,1 547294

90 8 2 7006 625 186 7817 32,1 549055

85 12 3 6616 937 279 7833 32 550820

80 16 4 6227 1250 372 7849 32 552588

75 20 5 5838 1562 466 7866 32 554361

70 24 6 5449 1875 559 7882 31,9 556138

65 28 7 5060 2187 652 7899 31,9 557918

60 31 9 4670 2500 745 7915 31,8 559703

55 35 10 4281 2812 838 7931 31,8 561491

50 39 11 3892 3125 931 7948 31,8 563284

45 43 12 3503 3437 1024 7964 31,7 565081

40 47 13 3114 3750 1117 7981 31,7 566881

35 51 14 2724 4062 1211 7997 31,7 568686

30 55 15 2335 4374 1304 8013 31,6 570495

25 59 16 1946 4687 1397 8030 31,6 572308

20 63 17 1557 5000 1490 8046 31,6 574125

15 67 18 1168 5312 1583 8062 31,5 575946

10 71 19 778 5624 1676 8079 31,5 577772

5 75 20 389 5937 1769 8095 31,5 579601

0 79 21 0 6249 1863 8112 31,4 581435

Producción de 3100 tm/día ck Sólo usando carbón se genera 545500 m3a/h. Sólo usando caucho se genera 568228 m3a/h. Sólo usando celulosa se genera 630162 m3a/h. @ 100% carbón se generan 7784 tm/día de gases. @ 100% caucho se generan 7941 tm/día de gases. @ 100% celulosa se generan 8,744 tm/día de gases. Capacidad máxima actual de vti es 552 000 m3a/h. Se contempla 2% de aire falso en el sistema (Se genera curva ponderando la participación de cada combustible. El volumen máximo en condiciones El volumen máximo en condiciones El volumen máximo en condiciones El volumen máximo en condiciones actuales se alcanza con una sustitución térmica del 20% en el sistema, 16% caucho y actuales se alcanza con una sustitución térmica del 20% en el sistema, 16% caucho y actuales se alcanza con una sustitución térmica del 20% en el sistema, 16% caucho y actuales se alcanza con una sustitución térmica del 20% en el sistema, 16% caucho y 4% celulosa. (Tabla 7)4% celulosa. (Tabla 7)4% celulosa. (Tabla 7)4% celulosa. (Tabla 7) Para la sustituPara la sustituPara la sustituPara la sustitución térmica, si se sigue el patrón de reparto de energía 60/40 calcinador ción térmica, si se sigue el patrón de reparto de energía 60/40 calcinador ción térmica, si se sigue el patrón de reparto de energía 60/40 calcinador ción térmica, si se sigue el patrón de reparto de energía 60/40 calcinador horno, podría estimarse 12% en el calcinador y 8% en el tubo del hornohorno, podría estimarse 12% en el calcinador y 8% en el tubo del hornohorno, podría estimarse 12% en el calcinador y 8% en el tubo del hornohorno, podría estimarse 12% en el calcinador y 8% en el tubo del horno

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Mezclas de más de tres combustiblesMezclas de más de tres combustiblesMezclas de más de tres combustiblesMezclas de más de tres combustibles Ejemplo con Carbón, hule, celulosa y aceiteEjemplo con Carbón, hule, celulosa y aceiteEjemplo con Carbón, hule, celulosa y aceiteEjemplo con Carbón, hule, celulosa y aceite

Si se toma como referencia el combustible base, en este caso el carbón y, usando el índice m3/tm ck particular de este horno debería preferirse en orden de prioridad agotar la sustitución con:

• Aceite • Hule • Celulosa

Para cada caso, se recomienda determinar la sustitución máxima aceite/carbón. Tomar este escenario como el nuevo combustible base. Luego aplicar el análisis de este nuevo combustible base contra la mezcla hule/celulosa. Para el ejemplo el aceite puede funcionar como un sustituto total

garantizando condiciones de suministro y calidad. De esta forma se podrá garantizar que el sistema de calcinación tendrá el mínimo

de adaptaciones operativas y se minimizará el impacto en la operación Esta recomendación puede verse afectada por decisiones estratégicas tales como

incentivos por disposición o por condiciones de oferta.

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ConclusionesConclusionesConclusionesConclusiones

• La utilización de combustibles alternativos en un horno de cemento modifica la forma de operación establecida por la costumbre del combustible tradicional, por lo que antes de hacer cambios se debe tener claro la forma en la que se le puede sacar provecho.

• Cada horno ha sido diseñado para su función primordial partiendo de un número

limitado de combustibles, por lo que la diversificación con alternos debe mantenerse alineada con el aporte de la energía neta de clinkerización y la escala de producción requerida para ser una actividad costo efectiva

• Aunque los niveles de energía por masa de combustible se nivelen debe

mantenerse paridad en los volúmenes de gases de combustión o tener claro el margen de maniobra de la instalación para solventar el cambio en flujo.

• Los materiales a utilizar como combustible alternativo deben ser tipificados según

su composición para poder determinar el nivel de sustitución que más se ajuste la condición de un horno en particular. Se recomienda el uso de m3 de gas por tonelada de clínker producida.

• Los alternos que potencian mayor beneficio deben ser aquellos que cumpliendo

con la reglamentación ambiental, generen el menor volumen de gas de combustión por cada kilocaloría.

• La bondad de cada alterno debe medirse respecto al combustible base de cada

horno, ya que cada instalación tiene un diseño propio ajustado a él.

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• Siempre y cuando se garantice suministro y el criterio de la relación de poder calórico y volumen de gas generado por un alterno sea igual o menor al combustible base se podrá sustituir teóricamente el 100%.

o Si dicha relación es ligeramente superior se debe explotar el margen de

máxima velocidad del vti (evaluando el costo incremental de los kWh) para buscar la sustitución total.

o Si el sistema está a tope o que su curva de gasificación esté muy por

encima de la del combustible base, se debe recurrir a diseñar mezclas alternos/base que cumplan con el criterio de equivalencia de energía y tope de gasificación, lo que da como resultado sustitución parcial .

o El caso extremo es que por efecto estratégico (incentivos, o disminución de

costo real) se decida mermar la producción para procesar el o las mezclas de alterno(s)

• El diseño de mezclas de alternos, debe partir agotando el margen del alterno de

menor índice de gasificación y luego proceder con el índice de gasificación siguiente. Lo anterior si no existen elementos del entorno que justifiquen lo contrario.