Evaluación del consumo calórico en la producción de clinker en un horno rotatorio vía seca a partir de un análisis basado en balances de materia y energía

Assessment of heat consumption in clinker production in a dry-process rotary kiln from energy and mass balance analysis

La producción de cemento es un proceso de alta carga calórica, representando un sector de alto consumo en la industria. Su impacto ambiental también es elevado ya que, por cada tonelada de clinker producido, una cantidad equivalente al doble de gases son emitidos a la atmosfera. Los balances de masa y energía son un método altamente eficaz para medir el estado actual de los equipos integrados del proceso de clinkerización, permitiendo conocer el perfil del consumo calórico a través del sistema y así usarse como herramienta para mejorar su desempeño térmico de la manera más eficiente.

Los balances de masa y energía muestran claramente de qué manera se disipa el calor en las diferentes unidades, siendo por consiguiente la información más adecuada para detectar condiciones de operación anormales y poniendo en relieve potenciales mejoras.

Así, con el propósito de evaluar el consumo calórico en la planta Ríoclaro de la compañía cementera Argos se desarrolla este trabajo, cuyo objetivo esencial es abordar de manera teórico-práctica los balances de masa y energía para dos sistemas de hornos de proceso seco, cuyo volumen de control incluye una torre precalentadora, un horno rotatorio y un enfriador de parrillas. Los resultados de la evaluación son usados con el fin de sugerir mejoras operacionales que puedan verse reflejadas en un menor consumo calórico y una producción más eficiente.

Heat exchange modeling of a grate clinker cooler and entropy production analysis

Modelado del intercambio de calor en un enfriador de parrilla de clinker y análisis de producción de entropía

En la planta de cemento objeto de estudio de esta investigación, el clinker que sale del horno rotatorio a una temperatura de 1380ºC se enfría con aire hasta alcanzar una temperatura de 65ºC por medio de un intercambio de calor de flujo cruzado con la parte superior de la rejilla de acero inoxidable altamente refractaria. Gracias al movimiento oscilatorio, las parrillas provocan el avance y la dispersión del clinker en una capa cuyo espesor depende de la velocidad de la parrilla. Luego de cruzar la capa de clinker, el aire calentado se emplea parcialmente como aire secundario para la combustión de gas natural y se evacúa en parte al sistema de remoción de polvo.

Esta investigación se relaciona con el análisis de exergía y el estudio de la reducción de producción de entropía generada durante el enfriamiento de clinker. Kunii-Levenspiel (ver bibliografía del documento) propusieron la representación de un intercambio de calor continuo de flujo cruzado gas-sólido por medio de una serie de etapas totalmente mezcladas en contacto a contracorriente. Con base en esta configuración, el modelo desarrollado aquí permite el cálculo de perfiles de temperatura del clinker, del aire y de la pared a lo largo del enfriador, lo cual es inaccesible mediante medición experimental considerando las técnicas actualmente disponibles.