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Propuesta de mejora energética
para una planta de producción de
clinker
Energy improvement proposal for a
clinker production plant
Leonardo Rodriguez Urrego
Universidad EAN, Bogotá - Colombia
Jeffrey León Pulido
Universidad EAN, Bogotá - Colombia
Andrés Cruz Pérez
Universidad EAN, Bogotá - Colombia
Hansen Murcia
Universidad Nacional, Bogotá -
Colombia
Mateo Gómez Velásquez
Universidad de America, Bogotá -
Colombia
Daniella Rodríguez Urrego
Universidad Piloto de Colombia,
Bogotá - Colombia
Información del artículo: recibido: 25 de Abril de 2017, aceptado: 12 de Julio de 2017
https://10.17081/invinno.5.2.2754
Nadson Lima
Autor de correspondencia
Universidade Estadual de
Campinas, Av. Albert Einstein
- 500, Campinas – Brasil.
Correo electronico: lrodriguezu@
universidadean.edu.co
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Vol 5 No2 / Julio a Diciembre 2017
Propuesta de mejora energética para una planta de producción de clinker
El siguiente trabajo presenta un análisis de la eciencia energética en la
industria cementera y un ejemplo real en donde se proponen mejoras para
disminuir considerablemente el consumo energético. El aumento de la
eciencia disminuye considerablemente el costo de la energía eléctrica,
además de las emisiones de CO2 ayudando así al mantenimiento y la
preservación del medio ambiente. El caso de estudio fue aplicado en la
planta de producción de cemento de san Vicente del Raspeig operada
por CEMEX en España. En este caso se analizó una sección de la
planta de producción, donde se realiza la molienda y el ensacado de
cemento. Se encontró que, al implementar las mejoras propuestas, el
costo de producción disminuye y el punto de equilibrio con respecto a la
implementación de estos nuevos equipos no era mayor a 5 años lo cual
hace que estas mejoras sean factibles.
This paper presents an analysis of the energy efciency in the cement industry
and is a real example of where improvements are proposed in order to signicantly
reduce the use of energy. On the other hand, it was observed an increasing efciency;
the monetary cost of electric power is considerably reduced as well as the CO2
emissions, thus helping the maintenance and preservation of the environment.
The case study was developed at a cement factory in San Vicente del Raspeig
operated by CEMEX in Spain. Here a section of the production plant, in which
grinding and cement packing is carried, was analyzed. It was found that when
implementing the proposed improvements, the cost of production decreased and
the point of equilibrium with respect to the implementation of the new equipment
was not more than ve years, making with these improvements a feasible project.
Resumen
Abstract
Palabras
Claves:
Eciencia
energética; emisión
de CO2, molienda;
clinker.
Keywords:
Energy
efficiency,
CO2 emission,
grinding,clinker
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Introducción
Uno de los grandes retos de la ingeniería moderna es mejorar la eciencia energética
de los procesos productivos. El Banco Mundial propuso diferentes metas al
respecto, llamadas los retos del milenio. Entre ellos destacan la disminución de las
emisiones de CO2 y la generación de procesos sostenibles y ecientes para evitar
la destrucción del medio ambiente a las nuevas generaciones [1]
Dado lo anterior, se han empezado a implementar nuevas alternativas en
diferentes industrias, de modo que sus diferentes procesos productivos
sigan operando pero de manera sostenible. Algunos casos de alternativas
en diferentes industrias son: La producción de energía eléctrica utilizando
hidrógeno como vector energético [2-4]. La implementación de nuevas
tecnologías para la absorción de CO2 [5]. La implementación de energías
alternativas como la fotovoltaica [6] y así mismo la implementación de
nuevas tecnologías para la mejora de la eciencia energética en las diferentes
industrias [7-9].. Y, justamente, este trabajo analiza la producción de cemento,
material clave hoy en día en diversas aplicaciones de orden mundial como:
construcción, diversos pavimentos, fabricación de baldosas etc.,
En efecto, una de las industrias más importantes en la actualidad es la
cementera. Esta industria consume alrededor del 12-15% del uso energético
industrial [10], lo que la constituye en una de las más grandes consumidoras
energéticas. Es por esto que se han empezado a generar nuevas tecnologías
con el n de aumentar la eciencia energética en la producción de clinker,
tanto a nivel técnico en cuanto a la maquinaria instalada, como a nivel de
sus procesos logísticos de cadena de suministro [11]. También se busca en
este campo la eciencia en procesos de mantenimiento predictivo, proactivo
y de la condición en sistemas complejos [12,13]. Sin embargo, aún existen
diferentes plantas en el mundo que tienen más de 30 años y siguen funcionando
con tecnología de vanguardia. Debido a esto, es necesario realizar análisis
energéticos y observar la viabilidad para implementar mejoras que hagan
más eciente el proceso desde el punto de vista energético y económico con
el n de aumentar el benecio.
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Propuesta de mejora energética para una planta de producción de clinker
En este trabajo se presentan concretamente la evaluación y las medidas
planteadas para la implementación de un proceso de mejora energética
respecto a la eciencia y a la implementación de técnicas alternativas que
permitan optimizar los recursos de energía y gas en algunos de los procesos
más signicativos de esta industria cementera. Este proceso fue llevado a cabo
durante 6 meses por expertos en el área de procesos, energías alternativas
y eciencia energética, que fueron asistidos, a su vez, por una compañía
consultora española. Los procesos analizados fueron los que acarrean mayor
consumo energético, como la molienda, los exhaustores, los compresores
y la iluminación. Los resultados obtenidos revelan un análisis económico
exhaustivo de la TIR respecto a los factores de costo energético actual,
costo de implementación, costo energético después de la implementación, y
mantenimiento.
Como se mencionó al inicio del documento, la instalación auditada es la
planta que la empresa CEMEX tiene en San Vicent del Raspeig (Alicante,
España), donde se realiza el proceso productivo para la obtención del cemento
Portland gris principalmente.
La planta se construyó en el año 1975. No obstante, algunas de sus instalaciones
se han renovado con el tiempo.
Las entradas de materias primas a la cementera son:
Combustibles: Coque de petróleo, Enerfuel (combustible derivado
de residuos), neumáticos troceados, harinas cárnicas y lodos de
depuradora. Además, en los encendidos del horno se usa fuel y gasóleo.
Minerales: Caliza y marga, que provienen de una cantera cercana;
escorias de horno extraídas del mismo, y arena de rodeno, yeso y sulfato
ferroso comprados a otras empresas. Como resultado del proceso se
obtienen: Cemento Portland gris, de los tipos: I 52,5 R; I 52,5 N/SR;
II/B-LL 32,5 N; II/B-M(S-LL) 42,5 R., clínker y gases calientes.
Descripción de la Planta
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Con el n de proponer mejoras para la eciencia energética, primero fue
necesario realizar el análisis energético actual de la planta de producción.
Para este análisis, se tomó en cuenta la cantidad de energía consumida por
la sección de la planta a utilizar en los diferentes meses del año, dividiéndola
en dos grupos principales: días laborales y días festivos; estos a su vez se
dividieron en horas, puesto que en esta planta el precio de la energía eléctrica
varía según la hora en la cual se utiliza. Para concretar un análisis general,
se realizó un promedio de consumo anual, obteniéndose lo presentado en la
Gráca 1 para días laborales, y en la Gráca 2 para días festivos.
Como se puede observar en la Gráca ,1 la sección tiene un consumo
prácticamente durante todo el día, teniendo un pico entre las 0:00 y las 08:00.
Por otro lado, en los días festivos (Gráca 2) se observa un pico mayor entre las
14:00 y las 18:00, lo cual indica que en estos días el consumo es más prolongado.
Procedimiento
Figura 1.
Carga final promedio
días laborales.
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En la Gráca 3 se muestra la desagregación de las curvas de los distintos procesos
signicativos que conforman la parte auditada de la planta sin contar la molienda,
ya que este último requiere la mayor demanda energética de la sección. De esta
forma, es más sencillo apreciar el comportamiento de los distintos procesos a lo
largo del día. Los grácos se corresponden con los días laborables.
Figura 2.
Carga final promedio
días festivos.
Figura 3.
Curva de carga por
prcesos.
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Los consumos globales se distribuyen como se muestra en la Gráca 4, donde
la porción más grande corresponde a la molienda. Se evidencia así que es el
proceso que más energía demanda. Uno de los grandes inconvenientes es la
complejidad para modicar el proceso de molienda, por lo cual este proceso
se deja a un lado y se analizan los otros 5, que son fácilmente modicables.
En la Gráca 5, por su parte, se observa la misma distribución, y en ella se
omite de nuevo la molienda. En esta Gráca se observa claramente que el
alumbrado y los auxiliares son los procesos más susceptibles de mejora.
Figura 4
Distribución del
consumo de los
diferentes procesos.
Figura 5.
Prosesos
sin molienda.
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Propuesta de mejora energética para una planta de producción de clinker
Molienda
Como ya se ha armado, el mayor consumo de la planta de cemento se concentra
en la línea de molienda. Las medidas en esta línea son escasas y suelen alcanzar
precios prohibitivos. Sin embargo, existe un separador que se puede reemplazar
por uno de alta eciencia. El separador actual es de tipo estático de aire, y utiliza
un motor de 120 kw con regulador de frecuencia incluido.
En todas las fábricas de cemento del mundo se hacen grandes esfuerzos para
reducir los gastos de producción y, en consecuencia, del consumo de energía. Esto
ha traído consigo el interés de moler el cemento en circuito cerrado con separadores
de alta ecacia, lo cual ofrece varias ventajas en relación con la molienda en circuito
cerrado con separadores convencionales o con la molienda en circuito abierto.
La ventaja principal es el ahorro de energía. Si el cemento se muele hasta cierto residuo
de tamizado que, para una calidad de clinker dada, por lo general está en relación con
las resistencias del cemento, el ahorro de energía que se puede obtener moliendo en
circuito cerrado en vez de en circuito abierto es directamente proporcional al grado
de ecacia del separador de aire para una determinada circulación.
Alternativamente, si se mantiene el consumo especíco de energía, la utilización
de un separador de alta ecacia da lugar a un cemento de mayor nura, o sea, con
mejores propiedades de resistencia.
Entre las distintas opciones de separadores de alta eciencia existentes en el
mercado, se sugiere optar por un separador SEPAX, sistema que ha demostrado
un excelente comportamiento en otras cementeras.
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Otra opción a tomar en cuenta para el proceso de la molienda es instalar
variadores de frecuencia en los motores de los exhaustores. En la planta de
ensaque, existen unos colectores de aire llamados exhaustores instalados
después del separador para ltrar las partículas pequeñas de cemento.
Dicho cemento recogido es llevado nuevamente a las máquinas rotativas.
El uso de los exhaustores permite reutilizar el cemento que se ha perdido
durante el ensaque, el cual ha caído en la etapa de llenado. Actualmente
en la planta del proceso de molienda de cemento, que es la parte auditada,
existen 2 exhaustores constituidos por un cuerpo motor-ventilador. La
gura siguiente muestra el uso de los exhaustores en el molino de cemento.
Estos dos exhaustores, como se comentó anteriormente, son muy necesarios en
el proceso nal. Sin embargo, tienen un gran inconveniente y es que los motores
de los ventiladores siempre están encendidos y el proceso de regulación se
realiza mediante una compuerta que siempre está al 90% de apertura.
Lo anterior implica una única regulación mecánica que incrementa el
consumo de estos motores, pues siempre trabajan a la máxima velocidad. La
mejora a realizar consiste en implementar variadores de frecuencia a cada
motor, a n de controlar el ujo de aire eléctrico sobre el motor y no de
manera mecánica, como se hace actualmente.
Exhaustores
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Propuesta de mejora energética para una planta de producción de clinker
En la instalación de aire comprimido se utilizan dos compresores que permanecen
rodando aun cuando no tengan que suministrar presión. Según el fabricante, el
consumo de este tipo de compresores en vacío comprende aproximadamente el
45% de su potencia nominal en carga. En consecuencia, se propone introducir
un controlador que los desconecte cuando no estén realizando trabajo útil y que
gestione adecuadamente el reparto de la carga.
En este caso, la medida se ha de llevar a cabo en la nave de ensacado,
donde 224 luminarias de vapor de mercurio permanecen encendidas las 24
horas en los días laborables.
Como veremos a continuación, la medida planteada es una doble medida . Por una
parte, se incorporarían detectores de presencia, de manera que se disminuyan las horas
de consumo. De esta manera, siguiendo el horario laboral de los trabajadores de la nave
de ensacado. La idea es que tras la instalación de los detectores solo se mantengan las
luces conectadas entre las 6:00 y las 13:00 horas, y entre las 16:00 y las 20:00 horas.
Por otra parte, las luminarias actuales, de vapor de mercurio, se deben sustituir
por luminarias de inducción, que presentan diversas ventajas, entre ellas que tiene
mucha mayor eciencia lumínica y que el tiempo de vida es mucho mayor. Así
pues, para conseguir aproximadamente la misma luminosidad, estas lámparas
de inducción consumirán 112 vatios, siendo esta su potencia unitaria.
Iluminación
Compresores
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Los resultados mostrados en esta sección corresponden al análisis
de las mejores propuestas según el ahorro económico y los costos de
implementación. Los resultados se basan en la Tasa Interna de Retorno TIR,
utilizando el costo de la implementación y el costo del consumo, según sea
el caso de la tecnología implementada, versus el costo de la tecnología a
implementar y su ahorro económico por consumo.
Molienda : El ahorro energético se determinó restando el consumo
energético sin la medida, menos el consumo con la medida. Tras
esta operación se obtiene un ahorro de 1459317,24 kWh al año,
lo cual genera un benecio anual de €70864,44 y un periodo de
retorno de 1,06 años.
Exhaustores : Respecto a los exhaustores, el ahorro energético fue
de 821453kWh/año, con lo cual se obtiene un ahorro económico de
€ 37524/ año y una TIR de 3,77 años. Por otro lado, con ello se logra
una reducción signicativa de 533944,45 ton CO2 /año.
Compresores: Si los compresores se apagaran, el ahorro energético
sería de 258060 kWh/año con un benecio económico de € 21935,8,
además de una disminución total de 17334,2 ton CO2/año.
Iluminación: Haciendo las mejoras propuestas en esta materia, el
ahorro neto energético sería de 237667 kWh/año, lo que signica
un benecio económico de € 18435 y una disminución en las
emisiones de CO2 de 157345 Ton de CO2/año.
Resultados
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El estudio presenta diferentes porcentajes de consumo de energía en las unidades
estudiadas. Con las mejoras propuestas se observa una disminución signicativa
en la cantidad de energía consumida por la sección estudiada en 2776497,24
kWh/año. En suma, con las mejoras y a la disminución energética, se obtiene un
benecio en Euros de € 148489,24, precisándose que el retorno de la inversión es
menor a 5 años. Todo esto viabiliza el desarrollo de la propuesta.
Conclusiones
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1. ONU, Declaración del Milenio, 2000.
2. G. Krajačić, R. Martins, A. Busuttil, N. Duić, & M.D Carvalho, “Hydrogen
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3. C.J. Winter, “Hydrogen energy — Abundant, efcient, clean: A debate
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4. P.J León, E. L. Martinez, A R. Bineli, M R.Wolf, F.R Maciel, “Engineering
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8. S. Cui, A. Goldsmith, & A. Bahai, Energy-efciency of MIMO and
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9. P. J León, E. L. Martinez, M R.Wolf., y F.R. Maciel, “Heat Transfer
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Technologies”, IAENG Transaction of Engineering Technologies, Vol. 6.
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10. N. Madlool, R. Saidur, M. Hossain, & N. Rahimb, “A critical review
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Sustainable Energy Reviews, vol. 15, n°.4, pp. 2042-2060., 2011.
11. L.M. Guevara, L. Rodríguez, D. Gomez., y J.G. Chenet, “Green
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Referencia Bibliográfica
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Vol 5 No2 / Julio a Diciembre 2017
Propuesta de mejora energética para una planta de producción de clinker
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13. E. Orozco Acosta, “Simulación en tiempo discreto de un proceso de
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Rodríguez., y N. Lima, “Propuesta de Mejora Energética para una
Planta de Producción de Clinker”, Investigación e Innovación en
Ingenierias, vol. 5, n°. 2, pp. 10-25., 2017
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ISSN: 2344-8652