Escuela Superior de Ingeniería Química e
Industrias Extractivas
Departamento de Ingeniería en Metalurgia y Materiales
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación
“Estudio del efecto de los parámetros del proceso en
la producción de Clinker”
T E S I S
Que para obtener el Grado de
Maestro en Ciencias en Ingeniería Metalúrgica
Presenta:
Jazmín González Pulido
Directores de Tesis:
Dr. José Antonio Romero Serrano
Dr. Aurelio Hernández Ramírez
Í N D I C E
NOMENCLATURA I
LISTA DE FIGURAS II
LISTA DE TABLAS III
RESUMEN IV
ABSTRACT IV
1. INTRODUCCIÓN 1
1.1 Cemento Portland 1
1.2 Proceso de Fabricación del Cemento Portland 1
1.3 Tipos de Cementos 5
1.4 Justificación 7
1.5 Objetivo 7
2. ANTECEDENTES 8
2.1 Estudio y análisis de las variables del proceso en la producción del cemento 8
2.2 Modelos matemáticos de hornos rotatorios 12
3. MEDICIÓN IN-SITU DE LAS VARIABLES DEL PROCESO 14 3.1 Caracterización de la materia prima (harina cruda) y del clinker 15 3.1.1 Análisis químico por espectrometría de rayos-X 16
3.1.2 Difracción de rayos-X (DRX) 18
3.1.3 Cuantificación de las especies en cada etapa del precalentador y del clinker 20
3.1.4 Análisis granulométrico 21
4. SIMULACIÓN DEL PRECALENTADOR - HORNO ROTATORIO 23
4.1 Simulación del Precalentador 23
4.1.1 Programa FACTsage 23
4.1.2 Equilibrio químico complejo 24
4.1.3 Cálculo termodinámico en el precalentador 26
4.2 Simulación del Horno Rotatorio 27
4.2.2 Temperatura de flama adiabática 30
4.2.3 Gases de combustión 33
4.2.4 Balance de Calor 35
4.2.4.1 Perfil de temperatura del sólido 35
4.2.4.2 Perfil de temperatura de los gases de combustión 37
5. RESULTADOS DEL MODELO MATEMÁTICO 39
5.1 Temperatura del sólido y de los gases de combustión de la reacción entre
aire/coque 39
5.2 Temperatura del sólido y de los gases de combustión de la reacción entre
aire/combustóleo 40
5.3 Temperatura del sólido y de los gases de combustión de la reacción entre
aire/llanta 41
5.4 Temperatura del sólido y de los gases de combustión de la reacción entre
aire/plástico 42
6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 43
6.1 Precalentador 43
6.1.1 Análisis de las materias primas (harina cruda) por drx y cálculo termodinámico
en el precalentador 43
6.1.2 Análisis granulométrico 44
6.1.3 Análisis de difracción de rayos-X a diferentes temperaturas 45
6.2 Horno rotatorio 48
6.2.1 Influencia de la temperatura flama adiabática en los diferentes combustibles y su efecto en la formación de fases de sólidos en el horno rotatorio 48
7. CONCLUSIONES 51
8. REFERENCIAS 53
NOMENCLATURA
Fases del clinker
C2S Ca2SiO4 Silicato Dicálcico (Belita) C3S Ca3SiO5 Silicato Tricálcico (Alita) C3A Ca3Al2O6 Aluminato Tricálcico (Celita)
C4AF Ca2(Al, Fe)O5 Ferroaluminato Tetracálcico (Felita) Símbolo Descripción
CaO Óxido de Calcio (Cal)
SiO2 Óxido de Silicio Al2O3 Óxido de Aluminio Fe2O3 Óxido de Hierro
H2O Agua
MgO Óxido de Magnesio
SO3 Óxido de Azufre CO2 Dióxido de Carbono CaSO4 Sulfato de Calcio
Na2O Óxido de Sodio K2O Óxido de Potasio
LISTA DE FIGURAS
No. Título de Figura Página
Figura 1 Proceso general de fabricación del cemento portland. 1
Figura 2 Precalentador de 4 etapas. 3
Figura 3 Esquema del Horno Rotatorio. 4
Figura 4 Variables del proceso analizadas. 14 Figura 5 Patrones de difracción de la alimentación (harina cruda)
que entra al precalentador, de las etapas del precalentador y de clinker.
19
Figura 6 Pantalla principal del programa FACTsage. 23 Figura 7 Gráfica de grado de avance contra energía libre de gibbs. 26 Figura 8 Esquema de transferencia de calor dentro del horno. 28 Figura 9 Temperatura de flama de la reacción entre Aire/coque. 30 Figura 10 Temperatura de flama de la reacción entre
Aire/Combustóleo.
31 Figura 11 Temperatura de flama de la reacción entre Aire/Llanta. 32 Figura 12 Temperatura de flama de la reacción entre Aire/Plástico. 33 Figura 13 Temperatura del sólido y de los gases de combustión, de
la reacción entre aire/coque.
39 Figura 14 Temperatura del sólido y de los gases de combustión, de
la reacción entre aire/combustóleo.
40 Figura 15 Temperatura del sólido y de los gases de combustión, de
la reacción entre aire/llanta.
41 Figura 16 Temperatura del sólido y de los gases de combustión, de
la reacción entre aire/plástico.
42 Figura 17 Formación de fases en equilibrio. 44 Figura 18 Ciclo térmico que se dio a las muestras, se indica el ciclo
programado en rojo y el medido en azul.
LISTA DE TABLAS
No. Título de Tabla Página
Tabla 1 Tipos de Cementos y sus componentes. 6 Tabla 2 Composición química de las materias primas (%masa). 16 Tabla 3 Composición química de la harina cruda. 17
Tabla 4 Composición química del Clinker. 17
Tabla 5 Resumen de la cuantificación de las especies en las etapas del precalentador.
20 Tabla 6 Cuantificación de las fases presentes en el clinker. 20 Tabla 7 Análisis granulométrico de la etapa IV. 21 Tabla 8 Análisis granulométrico de la etapa III. 21 Tabla 9 Análisis granulométrico de la etapa II. 22 Tabla 10 Análisis granulométrico de la etapa I. 22 Tabla 11 Composición química de la harina cruda. 26 Tabla 12 Resumen de las especies en equilibrio de acuerdo a la
temperatura, presión y etapas del precalentador del horno.
27 Tabla 13 Especies identificadas en la etapa IV. 46 Tabla 14 Especies identificadas en la etapa III. 46 Tabla 15 Especies identificadas en la etapa II. 47 Tabla 16 Especies identificadas en la etapa I. 47 Tabla 17 Resumen de la cantidad de las fases que se forman en
equilibrio a lo largo de la longitud del horno con respecto a la temperatura del sólido y la temperatura de los gases de combustión.
49
RESUMEN
En el presente trabajo se realizó una investigación bibliográfica de las fases formadas en el clinker, caracterización de harina cruda, perfiles de temperatura, así como la estimación de la composición química y consumo del combustible en el horno rotatorio. También se estudió con detalle el proceso de obtención del clinker y se hizo una simulación termodinámica del proceso mediante el uso del software FACTsage para determinar las condiciones en que se forman las fases (mineralógicas) características del clinker.
Utilizando esta metodología en las muestras analizadas se obtuvo, la composición química de la harina cruda y la formación de las fases presentes en el clinker, la cuantificación de las mismas, la obtención de la temperatura de flama adiabática de la relación aire/coque y el tamaño de partícula de la harina cruda durante el proceso del precalentador.
Al hacer la comparación de estos resultados que se llevaron a cabo mediante la técnica de difracción de rayos-X, análisis granulométrico, utilizando el software FACTsage y el programa Match mediante el método de Rietveld, se observó, una tendencia de la formación de las fases mineralógicas en el clinker con respecto a la temperatura de flama (horno) y en las etapas en el precalentador.
Finalmente, se realizó la simulación del horno, considerando la transferencia de calor, temperatura de flama adiabática (termodinámica) y parámetros de operación, utilizando el Método de Runge-Kutta de IV orden, determinando los perfiles de temperatura de los sólidos y de los gases de combustión. Con los resultados obtenidos se determinaron termodinámicamente las fases que se forman en ciertos puntos a lo largo de la longitud del horno.
ABSTRACT
In the present work it was carried out a bibliographical research of the formed phases in the clinker, a characterization of raw materials, temperature profiles as well as the estimation of the consumption and chemical composition of the fuels in the rotary kiln. It was also examined in detail the process of obtaining of the clinker and a thermodynamic simulation was carried out of the process using the FACTsage software to determine the equilibrium conditions in which the clinker phases are formed.
Applying this methodology, the chemical composition of raw materials and the formation of the phases present in the clinker were analyzed, the temperature of adiabatic flame air/coke ratio was calculated and particle size of the raw materials during the preheater process was obtained.
By comparison, these results using the X-ray diffraction technique, particle size analysis, complex equilibria and the Rietveld method, a tendency of the formation of mineralogical phases in the clinker respect to the adiabatic flame temperature (rotary kiln) and the stages in the preheater was observed.
Finally, the furnace simulation was carried out using heat transfer phenomena, adiabatic flame temperature (thermodynamic) and operating parameters, with the numerical method of Runge-Kutta fourth order to obtain the temperature profiles of solids and gases combustion. With the calculated results, the mineralogical phases of solids in certain points along the length of the rotary kiln were thermodynamically predicted.
Capítulo 1
I
NTRODUCCIÓN
1.1 Cemento Portland
1.2 Proceso de fabricación del cemento portland
1.3 Tipos de cemento
1.4 Justificación
1.5 Objetivo
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Cemento Portland
El cemento Portland es un conglomerante hidráulico, el cual al mezclarse con agua forma una pasta que se endurece por medio de reacciones de hidratación.
De acuerdo con la Norma Mexicana NMX-C-414-ONNCCE, el cemento se define como: material inorgánico finamente pulverizado, que, al agregarle agua, ya sea sólo o mezclado con arena, grava u otros materiales similares, tiene la propiedad de fraguar y endurecer en virtud de reacciones y procesos de hidratación y que, una vez endurecido, conserva su resistencia y estabilidad incluso bajo el agua[1,2].
1.2 Proceso de Fabricación del Cemento Portland
El proceso de fabricación del cemento portland[3] consta de seis etapas importantes:
Extracción de la Materia Prima
Trituración y Prehomogeneización
Molienda de Harina Cruda
Clinkerización
Molienda del Cemento
Envase y embarque
En la Figura 1 se muestra a detalle el proceso general de fabricación del cemento portland.
Extracción de la materia prima
Las materias primas[4] para la fabricación del cemento portland son: caliza, arcilla, pizarra, hematita y fluorita. Estos materiales se extraen mediante perforación y voladura de una cantera que generalmente se encuentra en las proximidades de la fábrica.
Trituración y Prehomogeneización
Una vez extraído y clasificado el material, se procede a su trituración hasta obtener una granulometría adecuada para el producto de molienda y se traslada a la fábrica mediante cintas transportadoras o camiones para su almacenamiento en el departamento de prehomogeneización. En la prehomogeneización[5], el material triturado se almacena en capas uniformes para ser posteriormente seleccionadas de forma controlada. La prehomogeneización permite preparar la dosificación adecuada de los distintos componentes reduciendo su viabilidad.
Molienda de Harina Cruda
La mezcla prehomogeneizada se muele en molinos verticales o de bolas para reducir su tamaño y favorecer así su cocción en el horno. En el molino vertical se tritura el material a través de la presión que ejercen sus rodillos sobre una mesa giratoria. A partir de ahí la materia prima (harina cruda) se almacena en un silo para incrementar la uniformidad de la mezcla.
Clinkerización
La clinkerización[6] es la etapa más importante del proceso, ésta se lleva a cabo en el precalentador - horno rotatorio. El precalentador (Figura 2) consta de 4 etapas (designadas como; IV, III, II y I de acuerdo al orden de calcinación), las etapas se refieren a los ciclones de clasificación de sólidos de acuerdo al tamaño de partícula, los cuales actúan como intercambiadores de calor de la harina cruda al ingresar al precalentador.
El proceso comienza cuando la materia prima (harina cruda) es introducida por el extremo superior del precalentador, mientras tanto, los gases de la combustión provenientes del horno rotatorio, ascienden a contracorriente, seca y aumenta la temperatura del material, y se calcina. La temperatura del sólido llega hasta los 1000°C.
Figura 2. Precalentador de 4 etapas.
Posteriormente, el material calcinado entra al horno rotatorio[7] (Figura 3), el cual es una estructura cilíndrica de acero, recubierto en su interior por ladrillos refractarios, se encuentra ligeramente inclinado y girando lentamente sobre su propio eje a velocidades inferiores a 5 r.p.m. para poder facilitar el transporte del material dentro del equipo, y así poderse llevar a cabo la transferencia de calor desde los gases de escape (generados por un quemador) hacia la materia prima.
El material calcinado se alimenta por la parte superior y, gracias a la inclinación y rotación del horno, se va desplazando lentamente, encontrándose cada vez con zonas de mayor temperatura hasta llegar a la zona de la flama, donde se produce la clinkerización.
Figura 3. Esquema del Horno Rotatorio.
A medida que el material avanza a lo largo del horno rotatorio, éstos se calientan hasta llegar a la temperatura de 1450°C, para que se produzcan las reacciones químicas que dan lugar a la formación de los principales compuestos mineralógicos del clinker[8], éstas son:
Alita - Silicato Tricálcico (C3SiO5) o (C3S): Es la fase principal en el clinker y de ella depende en buena parte las características de desarrollo de resistencia mecánica; endurece más rápidamente y por lo tanto tiene mayor influencia en el tiempo de fraguado y en la resistencia inicial.
Belita - Silicato Dicálcico (C2SiO4) o (C2S): Es usualmente la segunda fase en importancia en el clinker, se endurece mucho más lentamente que la fase alita, sin embargo, después de largos plazos, alcanza la misma resistencia que aquélla.
Celita - Aluminato Tricálcico (C3Al2O6) o (C3A): Reacciona muy rápidamente con el agua, sin embargo, no posee ninguna propiedad hidráulica destacable, aunque eleva la resistencia inicial del cemento en combinación con los silicatos.
Felita - Ferroaluminato Tetracálcico (Ca4Al2Fe2O10) o (C4AF): Contribuye poco al endurecimiento hidráulico del cemento.
Al salir del horno, el clinker debe enfriarse rápidamente para evitar la descomposición del silicato, debiendo salir del sistema de enfriamiento con una temperatura inferior a 150°C.
Molienda del cemento
Una vez enfriado el clinker, se almacena en unos silos y posteriormente se muele conjuntamente con una adición de puzolana y caliza para obtener los diferentes tipos de cemento y yeso para retardar el tiempo de fraguado.
Envase y embarque
El cemento tal como se conoce comercialmente es envasado en sacos de 50 kg o también en big bag o tolvas para la venta a granel.
1.3 Tipos de Cementos
La clasificación de los cementos de acuerdo a la norma ASTM C-150[9] es la siguiente: Tipo I (normal): Se emplea cuando el concreto no se somete al ataque por sulfatos de la tierra o el agua o se expone a condiciones climáticas severas, como pavimentos, concreto reforzado para construcciones, puentes, etc.
Tipo II (calor moderado o modificado): Se emplea cuando se requiere resistencia al ataque de sulfatos. Este tipo de cemento produce menos calor de hidratación que el tipo I. Se emplea en estructuras tales como: malecones, estribos y paredes de retenido.
Tipo III (alta resistencia inicial): Se emplea cuando la ganancia de resistencia inicial y la generación de calor es un factor crítico importante. Cuando las formas deben retirarse para reusarse tan pronto como sea posible. Este cemento permite reducir el tiempo de curado sin pérdida en la resistencia.
Tipo IV: Se emplea cuando la velocidad y la cantidad de calor deben minimizarse. El desarrollo de resistencia en éste es menor que para el tipo I.
Tipo V: Se usa cuando la tierra o los mantos acuíferos contienen altas cantidades de concentraciones de sulfato y la estructura podría exponerse a un ataque severo de sulfatos.
Otra forma de clasificar los cementos es basándose en la norma NMX-C-414- ONNCCE-2014[1] vigente. Los cementos se pueden clasificar de acuerdo a sus materias primas mostradas en la Tabla 1.
Tabla 1. Tipos de Cementos y sus componentes.
Tipo Denominación Componentes (% masa) Clinker Portland + yeso Escoria granulada de alto horno Material Puzolánico Humo de
Sílice Caliza Minoritarios
CPO
Cemento Portland
Ordinario 95 -100 - - - - 0 - 5
CPP Cemento Portland Puzolánico 50 - 94 - 6 - 50 - - 0 – 5
CPEG
Cemento Portland con Escoria Granulada de
Alto Horno 40-94 6-60 - - - 0-5
CPC Cemento Portland Compuesto 50-94 6-35 6-35 1-10 6-36 0-5
CPS con Humo de Sílice Cemento Portland 90-99 - - 1-10 - 0-5
CEG
Cemento con Escoria Granulada
1.4 Justificación
El cemento es considerado uno de los materiales de mayor importancia en la construcción a nivel mundial, siendo el segundo producto más consumido. En la fabricación de cemento Portland, el clinker es el principal componente. Este se forma a partir de la calcinación de caliza y arcilla a temperaturas que oscilan entre los 1350 y 1450ºC.
Para obtener un producto final de calidad, es necesario el estudio de los parámetros de operación como: perfiles de temperatura, composición química de los gases de combustión, de la materia prima (harina cruda) y combustibles, que garanticen las fases requeridas para la producción del clinker.
Con base a lo anterior, se llevó a cabo la medición in-situ de las condiciones de operación del proceso: perfiles de temperatura en las etapas del precalentador, horno rotatorio, combustión, así como la composición química de la harina cruda, de los combustibles y de los gases de combustión, con el objetivo de realizar la simulación del horno, considerando la transferencia de calor, temperatura de flama (termodinámica) y parámetros de operación.
1.5 Objetivo
Determinar termodinámica y experimentalmente las fases que se forman durante el proceso de calcinación-producción de clinker en función del uso de combustibles alternos, así como la influencia de la temperatura de flama en la distribución de especies mineralógicas durante el proceso.
Capítulo 2
A
NTECEDENTES
2.1 Estudio y análisis de las variables del proceso en la
producción del cemento
Capítulo 2. Antecedentes
2. ANTECEDENTES
En este capítulo se describen brevemente algunos estudios, relacionados con este trabajo de investigación.
2.1 Estudio y análisis de las variables del proceso en la producción del cemento
Jiménez y Restrepo[10], estudiaron el proceso de fabricación del clinker de cemento Portland utilizando el software de cálculos termodinámicos FactSage 6.4 en conjunto con la base de datos FToxid - Oxide Phase Diagrams.
Realizaron cálculos en condiciones de equilibrio y no equilibrio para sistemas asociados con la industria del cemento, esto es, el sistema CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3 el cual contiene los principales componentes del clinker de cemento Portland junto con compuestos minoritarios tales como MgO, K2O y Na2O, en un intervalo de temperatura de 800°C a 1600°C.
Determinaron las fases presentes, su distribución e intervalos de estabilidad. Los resultados se compararon con información experimental reportada en la literatura y los cálculos de Bogue.
En este estudio se concluyó que el uso de herramientas computaciones para el estudio del proceso de producción del cemento puede ser de gran ayuda, ya que es posible investigar efectos como cambios de composición, cambios en la temperatura, efecto de componentes minoritarios entre otros, además de los cálculos de equilibrio químico y enfriamiento. Con el software es posible calcular diagramas de fase, potenciales químicos, actividades, entalpías, entropías entre otras, lo que puede ser de especial ayuda para el estudio de la química del cemento.
Capítulo 2. Antecedentes
Avendaño y López[11], estudiaron el alcance del análisis de rendimiento para el horno rotatorio para producción de Clinker vía seca, por ser el equipo de mayor consumo de materias primas, energía eléctrica y térmica de la fabricación de cemento.
Mediante un proceso de muestreo, se identificaron las materias primas, flujo de proceso, demanda energética, desempeño ambiental que permitieron el análisis e identificación de las variables de operación del proceso.
Se realizaron ajustes a las variables encontradas en el análisis de campo con el fin de lograr el mejor desempeño del horno rotatorio como: grado de llenado del horno, relación entre toneladas alimentadas y velocidad de giro. Consumo Térmico o la relación entre la energía calórica alimentada con el combustible y el rendimiento del horno en toneladas. Aire de combustión: aire necesario para garantizar la combustión estequiométrica exacta.
Del adecuado estudio del equipo y de las variables de proceso se puede incrementar la producción, el consumo de energía del proceso logró bajar en 2%, el rendimiento del equipo se incrementó en 10%. El horno cementero es el mayor consumidor de energía en una planta de producción de cemento. Las cuatro variables de proceso que impulsan el rendimiento del horno cementero son: tiro o succión del ventilador principal, velocidad de giro del horno, alimentación de combustible y toneladas de alimentación.
Castañón y García[12], implementaron un método de control de calidad de forma continua en una fábrica de cementos española, para mejorar las características del producto final (cemento). Obtuvieron por fluorescencia los óxidos del clinker y por difracción de rayos-X, las fases mineralógicas del mismo, utilizando el método de Rietveld, llevándose a cabo una valoración de la calidad del clinker con relación a parámetros del proceso. Utilizando esta metodología, se realizó un estudio para cuantificar adecuadamente la fase minoritaria de cal libre, de gran importancia en la calidad del clinker.
Capítulo 2. Antecedentes
El método permitió obtener resultados satisfactorios en muestras cuyos contenidos superan el 3% de CaO. Estos resultados son posibles combinando adecuadamente las técnicas de difracción y fluorescencia de rayos-X, así como los resultados del análisis por vía química.
Granados y Jaramillo[13], analizaron desde el punto de vista exergético las diferentes condiciones de operación de un horno rotatorio utilizado en la producción de cemento, operando bajo el proceso de oxicombustión con recirculación de gases de combustión.
El horno fue simulado por medio de un modelo global termodinámico, desarrollado con miras a evaluar la disminución de irreversibilidades y por ende a un uso más eficiente de la fuente energética con los consecuentes beneficios económicos y medioambientales.
El horno de cemento fue simulado con el proceso de oxicombustión bajo 8 diferentes niveles de recirculación de gases variando entre 30% y 80% conservando el consumo de combustible. Los resultados obtenidos evidenciaron las bondades de esta tecnología al presentarse incrementos en las temperaturas de operación del horno de hasta un 22% cuando el nivel de recirculación toma valores de 30%.
Osorio y Restrepo[14], evaluaron la molienda de clinker en molino de bolas, variando: velocidad del molino (24 y 72 r.pm), tiempo de residencia (3 y 5 h) y carga de cuerpos moledores (30 y 40 %), mediante un modelo factorial, con el objetivo de evaluar la incidencia de estos sobre el porcentaje másico pasante 45 µm y el área superficial, factores determinantes en la calidad del cemento comercial. Determinaron propiedades fisicoquímicas, de composición, naturaleza mineralógica y distribución granulométrica del material empleando fluorescencia de rayos-X, análisis de área superficial y análisis granulométrico por tamizado.
Capítulo 2. Antecedentes
Encontraron que la cantidad de masa pasante de 45 µm crece al aumentar la velocidad del molino y en menor proporción al incrementar el tiempo, y que el cambio de carga de cuerpos moledores resulta insignificante.
Asimismo, el área superficial se incrementó al aumentar tanto la velocidad como el tiempo y la carga. Sin embargo, la mayor incidencia la tiene el factor velocidad. El mayor impacto de la velocidad de giro del molino tanto sobre la cantidad de masa pasante malla 325 como sobre el área superficial, se debe probablemente al alto grado de tensiones creadas sobre la estructura cristalina del material y en consecuencia, al aumentar la velocidad se incrementa en varios órdenes de magnitud el número de fracturas en las fronteras e imperfecciones estructurales de las partículas lo que conduce a la producción de una mayor cantidad de finos y a la generación de la nueva área superficial asociada a los tamaños más pequeños.
Indudablemente la mejor combinación de parámetros operacionales para el procesamiento de sólidos, será aquella que proporcione las características deseadas en el producto y que simultáneamente optimice energéticamente el proceso, lo que conducirá a la minimización de los costos de producción.
Puertas y Blanco[15], estudiaron clinkeres y cementos obtenidos en procesos industriales que han utilizado combustibles convencionales y combustibles alternativos (harinas cárnicas, neumáticos usados y mezclas de ambos), mediante técnicas de caracterización como: análisis químico, análisis mineralógico, análisis morfológico.
Los resultados obtenidos han demostrado que los clinkeres fabricados con los combustibles alternativos no presentan diferencias significativas en la composición mineralógica respecto a los obtenidos con los combustibles convencionales, el comportamiento mecánico de los cementos es normal y ajustado a norma e independiente del tipo de combustible utilizado.
Capítulo 2. Antecedentes
2.2 Modelos matemáticos de hornos rotatorios
Coral y Dobrosz[16], desarrollaron un modelo unidimensional en estado estable para el modelamiento y simulación de un reactor rotatorio industrial.
Los resultados obtenidos se confrontaron y validaron con mediciones en planta facilitadas por una empresa cementera colombiana, encontrándose un porcentaje de error máximo del 7%.
El modelo propuesto, incluye las principales reacciones de clinkerización, un modelo de reacción gas-sólido para el carbón utilizado como combustible, la reducción de flujo de sólidos a lo largo del equipo debido a la formación de CO2 y la variación de la temperatura del lecho de sólidos y de los gases, que permite describir el funcionamiento del reactor. Adicionalmente, fue posible cuantificar el fenómeno de inversión térmica que ocurre cuando el material fundido se enfría después del máximo de temperatura.
Basado en los resultados, concluyeron que el modelo propuesto constituye una herramienta útil para el análisis del desempeño del reactor rotatorio.
Vargas y Amurrio[17], describieron un modelo simple para la calcinación del carbonato de calcio en óxido de calcio, por medio de un horno rotatorio expresado como una serie de reactores perfectamente agitados e interconectados con zonas muertas.
La cinética de la reacción fue determinada experimentalmente y la transferencia de calor fue determinada por mediciones en una fábrica de cemento. La distribución de tiempos de residencia, así como las condiciones del proceso y el rendimiento de la reacción, fueron expresadas en términos de cuatro parámetros k, α, β y γ.
Los resultados indicaron que el Número de reactores y β (Tasa de intercambio entre una zona activa y una zona muerta), son determinantes para caracterizar la distribución de
Capítulo 2. Antecedentes
tiempo de residencia de las partículas; k, α y γ controlan las temperaturas y, finalmente, β es el parámetro que más efecto tiene sobre el rendimiento de la reacción.
Fontalvo y Coral[18], implementaron un modelo matemático para la simulación del horno rotatorio para la producción de cemento, usando el método del disparo con un algoritmo de cálculo implementado en Matlab. El modelo involucra: la variación de la altura del material sólido, los procesos simultáneos de reacción y transferencia de calor en el material y la fase gaseosa, así como un modelo para la combustión de carbono. Se determinaron los perfiles de temperatura y composición de los gases producto de la combustión. Los resultados obtenidos se confrontaron con mediciones en planta, facilitadas por una empresa cementera nacional, encontrándose una diferencia máxima entre ellos del 7%, la cual corresponde a la composición de C3S. A partir de los resultados obtenidos se puede decir que el modelo matemático propuesto describe adecuadamente los fenómenos fisicoquímicos dentro del horno rotatorio.
Benítez y Silva[19],realizaron el rediseño de un sistema de automatización de la molienda de clinker en la fábrica de cemento de Santiago de Cuba, por el método formal de modelado con Redes de Petri Jerárquicas Extendidas GHENeSys y su traducción para lenguajes de autómatas programables compatibles con la norma IEC61131. Se comprobó el funcionamiento de los modelos y programas mediante simulación y se valoraron los impactos económicos que puede ocasionar la implantación del sistema propuesto. Se logró demostrar, mediante la simulación de los modelos, que se mejoran los tiempos de operación, se aumentan la productividad, las facilidades de operación, mantenimiento y reparación del sistema; asimismo, se redujo el consumo energético
Capítulo 3
M
EDICIÓN
I
N
-
SITU DE LAS
V
ARIABLES DEL
P
ROCESO
3.1 Caracterización de la materia prima (harina cruda) y del
clinker
3.1.1 Análisis químico por espectrometría de rayos-X
3.1.2 Difracción de rayos-X (DRX)
3.1.3 Cuantificación de las especies en cada etapa del
precalentador y del clinker
Capítulo 3. Medición in-situ de las variables del proceso
3. MEDICIÓN IN-SITU DE LAS VARIABLES DEL PROCESO
Durante el proceso de producción de Clinker que contempla una etapa de precalcinación (precalentador) y otra de fusión (horno rotatorio), es necesario que los parámetros de operación; como perfiles de temperatura, composición química de los gases de combustión, de la materia prima (harina cruda) y combustibles, garanticen la transformación de los compuestos químicos contenidos en la harina cruda y se obtengan las fases requeridas para el clinker.
Debido a lo anterior, se procedió a medir in-situ las condiciones de proceso en la parte de precalentador-horno rotatorio-quemador del horno (Figura 4).
Capítulo 3. Medición in-situ de las variables del proceso Precalentador
Se analizó los perfiles de temperatura en cada una de las etapas, con la finalidad de determinar el grado de calcinación. La eficiencia de separación, para poder determinar la cantidad de materia prima que se puede aglomerar en la parte de los ciclones.
Horno rotatorio
Se analizó el grado de llenado, ya que dependiendo de la cantidad de carga que ocupa el material dentro del horno, ésta incide en la velocidad de giro del horno. La aglomeración, si es que existe, obstruirá el paso de las materias primas y de los gases. La formación de las fases, para estimar la calidad del clinker, ya que éstas le darán las propiedades mecánicas al cemento.
Quemador
Se analizó la temperatura de flama, ya que ésta afecta la energía de activación y formación de las fases del clinker. El consumo y composición química de los combustibles porque incide directamente en la temperatura de flama.
3.1 Caracterización de la materia prima (harina cruda) y del clinker
Con la finalidad de realizar las técnicas de caracterización: análisis químico, difracción de rayos-X (DRX) y análisis granulométrico, se muestreó en la parte del precalentador, tomando muestras de la harina cruda y del clinker[20,21].
Las muestras se tomaron a lo largo de cada turno, en las horas 8:00, 10:00, 12:00, 15:00, 17:00, 19:00, 21:00, 23:00, 01:00, 03:00 y 05:00) de:
Harina de alimentación (un total de 11 muestras por día).
Harina a la salida de cada etapa, haciendo distinción en los puntos donde se pueden tomar dos muestras de la misma etapa, tales como en el punto T10 y T11 (etapa I que va hacia la entrada del horno rotatorio) (11 muestras por día de las
Capítulo 3. Medición in-situ de las variables del proceso
etapas IV, III y II del precalentador y 22 muestras por día de la etapa I, esto es 55 muestras en total cada día).
Polvo recuperado (un total de 11 muestras por día).
Clinker (un total de 11 muestras por día, tomadas después de las demás muestras con un tiempo designado por el cálculo del tiempo de residencia de la harina en el horno durante su procesamiento).
3.1.1 Análisis químico por espectrometría de rayos-X
La espectrometría de rayos-X[22] es una técnica que permite conocer la composición química del material, para su análisis se utilizó un espectrómetro modelo Bruker AXS S4 Pioneer de longitud de onda dispersa, con tubo de emisión de rayos-X, con ánodo de Rh como fuente de radiación.
En la Tabla 2, puede observarse un alto contenido de SiO2 y Al2O3 en la arcilla y pizarra, además se distingue la cantidad de CaO presente en la caliza y de Fe2O3 en la hematita.
Tabla 2. Composición química de las materias primas (%masa).
* La pérdida por ignición (P.R o L.I por sus siglas en inglés) representa el total de humedad y CO2 presente
en la muestra.
Especie Caliza Pizarra Arcillas Hematita
SiO2 7.62 51.17 58.98 17.67 Al2O3 1.67 14.11 22.77 1.34 Fe2O3 0.50 4.91 4.09 74.43 CaO 49.89 11.87 4.30 3.88 MgO 0.42 2.05 1.74 1.17 SO3 0.01 0.01 0.05 0.01 Na2O 0.01 0.06 1.71 0.33 K2O 0.14 1.40 0.76 0.07 P.R * 39.74 14.42 5.60 1.10
Capítulo 3. Medición in-situ de las variables del proceso
En la Tabla 3, 4 puede observarse la composición química de la harina cruda y del clinker, donde se distingue un alto contenido de óxido de calcio (CaO).
Tabla 3. Composición química de la harina cruda.
Tabla 4. Composición química del Clinker.
Especie % masa SiO2 21.14 Al2O3 5.29 Fe2O3 3.83 CaO_comb 65.37 CaO_libre 1.00 MgO 1.03 SO3 1.21 Na2O 0.22 K2O 0.76 P.R* 0.15
* La pérdida por ignición (P.R o L.I por sus siglas en inglés) representa el total de humedad y CO2 presente
en la muestra. Especie % masa SiO2 13.89 Al2O3 3.42 Fe2O3 2.41 CaOtot 42.77 MgO 0.77 SO3 0.15 Na2O 0.33 K2O 0.50 P.R* 35.76
Capítulo 3. Medición in-situ de las variables del proceso
3.1.2 Difracción de rayos-X (DRX)
El análisis por difracción de rayos-X (DRX)[23,24], permite identificar los compuestos cristalinos en cualquier material sólido, la técnica está limitada por la concentración de cada especie presente.
Para este análisis, se utilizó un difractómetro modelo D8 FOCUS marca Bruker, con radiación Kα de Cu, operado a un voltaje de 35 Kv y una intensidad de 25 mA, con un barrido de 20° a 110°. Este análisis cualitativo se llevó a cabo con el software DIFFRAC.EVA[25] mediante la técnica de identificación de picos, considerando los ángulos de difracción y las intensidades relativas de las líneas más intensas, permitiendo así, identificar tanto las especies que componen a la materia prima como cuantificar las fases cristalinas del clinker.
En la Figura 5, se presentan los espectros de DRX de la alimentación (harina cruda) que entra al precalentador, de las etapas del precalentador y del clinker.
En el difractograma de la alimentación al precalentador, se detectaron picos de los siguientes compuestos: carbonato de calcio, óxido de silicio, óxido de aluminio y óxido de hierro, los cuales son los principales componentes de la harina cruda para la elaboración del clinker.
En los difractogramas de las etapas del precalentador, se observó que conforme la harina cruda se somete a diferentes temperaturas (precalentador) su composición química cambia, obteniendo así, la formación de diferentes especies de silicatos o silicoaluminatos de calcio.
Con respecto al difractograma del clinker, éste indica que contiene la formación de fases como: Alita (C3S), Belita (C2S), Celita (C3A), Felita (C4AF) y, además, tiene CaO_libre y periclasa (MgO).
Capítulo 3. Medición in-situ de las variables del proceso
20
30
40
50
60
70
MgO-Periclasa CaO-Cal Libre C4AF-Felita C4AF C2S C2S C3A C3A-Celita MgO C3S C4AF MgO CaO CaO C3S C3S C2S C2S C2S C3S C3S C3S Clinker
Grados
)
C3A C2S-Belita C3S-Alita C3S Ca3MgSi2O8 Ca3MgAl4O10
Ca3SiO5
Ca2Fe2O5
K2SO4 CaO Ca2SiO4
Ca3MgSi2O8
C2CaK2O6
C6K2O6
Ca2Fe2O5
K 2SO4 CaO Ca2SiO4 Etapa II
Ca2Fe2O5 Ca3MgSi2O8
C6K2O6
Al7Ca6O16
C2CaK2O6
Etapa I Ca2MgO7Si2
CaCO 3 Ca2SiO4 Etapa III Etapa IV
C2CaK2O6 Ca3Fe2O12Si3 Ca2Na2O4Si3
K2O4S CaCO 3 Ca3O7SiO2
Alimentación al precalentador
K2O Na2O
MgO Fe2O3
CaCO 3 SiO2
Al2O3
Figura 5. Patrones de difracción de la alimentación (harina cruda) que entra al precalentador, de las etapas del precalentador y de clinker.
Capítulo 3. Medición in-situ de las variables del proceso
3.1.3 Cuantificación de las especies en cada etapa del precalentador y del clinker
De los resultados obtenidos en la figura 5 se realizó la cuantificación de las especies identificadas en las etapas del precalentador (Etapa IV a Etapa I), la cual se realizó con el programa Match[26] mediante el método de Rietveld[27], en la Tabla 5 se presentan los resultados de la cuantificación en donde se observa que hay una disminución significativa de la cantidad de carbonato de calcio y la formación de diferentes especies químicas.
Tabla 5. Resumen de la cuantificación de las especies en las etapas del precalentador.
Alimentación al precalentador
% peso
Etapa IV
% peso Etapa III % peso Etapa II % peso Etapa I % peso
CaCO3 = 70.9 CaCO3 = 60.4 CaCO3 = 35.3 CaO = 30.8 CaO = 20.2
SiO2 = 14.6 Ca3O7SiO2= 25.8 Ca2SiO4 = 51.2 Ca2SiO4 = 61.3 Ca3SiO5 = 35.7
Al2O3 = 5.8 Ca2Na2O4Si3=4.9 C2CaK2O6 = 1.3 K2SO4 = 1.6 Ca2SiO4 = 30.1
Fe2O3 = 3.3 Ca3Fe2Si3O12 = 4.6 Al7Ca6O16 = 5.8 Ca2Fe2O5 = 1.2 Ca2Fe2O5 = 1.1
MgO = 2.4 C2CaK2O6 = 2.6 C6K2O6 = 1.8 C6K2O6 = 1.3 Ca3MgAl4O10=11.4
Na2O= 1.2 Ca2MgO7Si2= 1.4 Ca2Fe2O5 = 4.5 Ca2Fe2O5 = 3.6 K2SO4 = 1.3
K2O= 1.8 K2SO4 = 0.14 Ca3MgSi2O8 = 0.3 Ca3MgSi2O8 = 0.2 Ca3MgSi2O8 = 0.2
Total = 100 Total = 100 Total = 100 Total = 100 Total = 100
En la Tabla 6 se presentan los resultados de la cuantificación del clinker, donde las fases Alita y Belita son las que tienen mayor presencia en la muestra; ya que son las que le dan la resistencia al cemento, sin embargo, también se observó la presencia de pequeñas concentraciones de CaO libre y MgO (periclasa).
Tabla 6. Cuantificación de las fases presentes en el clinker.
Fases Porcentajes (%) Alita (C3S) 60.25 Belita (C2S) 28.52 Celita (C3A) 5.30 Felita (C4AF) 3.06 CaO Libre 2.35 MgO (periclasa) 0.52 Total 100
Capítulo 3. Medición in-situ de las variables del proceso
3.1.4 Análisis granulométrico
Para el análisis de distribución de tamaños de partícula, se consideró la descarga de cada ciclón (etapas) del precalentador, utilizándose el equipo ‘’Rot-Tap’’ y mallas de acuerdo a la norma ASTM[28].
En la Tabla 7 se muestra el análisis granulométrico de la muestra obtenida de la etapa IV, se observa que el tamaño de partícula (d50) se encuentra entre la malla 325 (45 µm) y 400 (38 µm).
Tabla 7. Análisis granulométrico de la etapa IV.
Malla abertura nominal Tamaño de Peso de la harina retenido (g) harina retenido % Peso de la Acumulado (+) % Peso
200 (75 µm) 21.20 14.15 14.15
325 (45 µm) 99.11 66.13 80.28
400 (38 µm) 29.28 19.54 99.82
-400 (-38 µm) 0.278 0.18 100
Total 149.87 100
En la Tabla 8 se presenta el análisis de partícula de la etapa III, al igual que en la etapa IV se tiene un tamaño de partícula (d50) entre la malla 325 (45 µm) y 400 (38 µm).
Tabla 8. Análisis granulométrico de la etapa III.
Malla abertura nominal Tamaño de Peso de la harina retenido (g) harina retenido % Peso de la Acumulado (+) % Peso
200 (75 µm) 18.44 13.37 13.37
325 (45 µm) 77.40 56.12 69.49
400 (38 µm) 40.28 29.20 98.69
-400 (-38 µm) 1.81 1.31 100
Capítulo 3. Medición in-situ de las variables del proceso
En la Tabla 9, a comparación de las etapas IV y III, se muestra que en la etapa II, la mayor cantidad de material se encuentra por debajo de la malla -400 (-38 µm).
Tabla 9. Análisis granulométrico de la etapa II.
Malla abertura nominal Tamaño de Peso de la harina retenido (g) harina retenido % Peso de la Acumulado (+) % Peso
200 (75 µm) 5.30 4.58 4.58
325 (45 µm) 13.70 11.84 16.42
400 (38 µm) 24.62 21.29 37.71
-400 (-38 µm) 72.05 62.29 100
Total 115.67 100
Finalmente, en la Tabla 10 se muestra el tamaño de partícula de etapa I (Alimentación al horno rotatorio), donde la mayor parte del material se encuentra por debajo de la malla -400 (-38 µm).
Tabla 10. Análisis granulométrico de la etapa I.
Malla abertura nominal Tamaño de Peso de la harina retenido (g) harina retenido % Peso de la Acumulado (+) % Peso
200 (75 µm) 6.73 13.67 13.67
325 (45 µm) 7.47 15.17 28.84
400 (38 µm) 2.41 4.89 33.73
-400 (-38 µm) 32.64 66.27 100
Total 49.25 100
En este análisis se observa que el tamaño de partícula tiende a disminuir conforme la carga va en dirección a la entrada del horno (Etapa IV a Etapa I), lo cual se deba posiblemente a la calcinación de la harina cruda (pérdida de masa, en forma de CO2) que provoca la reducción del diámetro de partícula.
Capítulo 4
S
IMULACIÓN DEL
P
RECALENTADOR
–
H
ORNO
R
OTATORIO
4.1 Simulación del precalentador
4.1.1 Programa FACTsage
4.1.2 Equilibrio químico complejo
4.1.3 Cálculo termodinámico en el precalentador
4.2 Simulación del Horno Rotatorio
4.2.1 Proceso adiabático
4.2.2 Temperatura de flama adiabática
4.2.3 Gases de combustión
4.2.4 Balance de calor
4.2.4.1 Perfil de temperatura del sólido
4.2.4.2 Perfil de temperatura de los gases de
combustión
Capítulo 4. Simulación del Precalentador – Horno rotatorio
4.
SIMULACIÓN DEL PRECALENTADOR - HORNO ROTATORIO4.1 Simulación del Precalentador
Con la finalidad de simular y analizar el proceso del precalentador, se realizaron cálculos en el programa FACTsage[29] con los datos obtenidos mediante el muestreo in-situ.
4.1.1 Programa FACTsage
El análisis termodinámico se llevó acabo utilizando el programa FACTsage (Facility for the Analysis of Chemical Thermodynamics), éste cuenta con varios módulos (Reaction, Predom, EpH, Equilib, Phase Diagram y Optisage) que permiten desarrollar una amplia variedad de cálculos termodinámicos y representar los resultados en tablas, gráficas y figuras para los diferentes campos de la metalúrgica e ingeniería.
El programa FACTsage tiene otras opciones, como tutoriales referentes al uso de cada módulo, documentación de las bases de datos termodinámicos y manipulación de los resultados obtenidos en los módulos antes mencionados, así como cálculo de viscosidades de escorias. En la Figura 6, se muestra la pantalla principal del software.
Capítulo 4. Simulación del Precalentador – Horno rotatorio
4.1.2 Equilibrio químico complejo
Sistema cerrado
Un sistema cerrado tiene una masa fija; es decir, no intercambia materia con sus alrededores, aunque puede intercambiar energía. Puede consistir de una o más fases y puede sufrir reacciones y transferencias de masa internamente. Su importancia en los cálculos de equilibrio estriba en que las condiciones de equilibrio de la termodinámica se aplican principalmente a este tipo de sistema.
Durante la operación, cualquier descripción de un sistema cerrado es una expresión de la ley de la conservación de la masa. Un sistema cerrado se define por un conjunto de ecuaciones de abundancia de elementos que expresan la conservación de los elementos químicos que constituyen las especies del sistema.
Para cada elemento existe una ecuación de balance de masa que adopta la siguiente forma:
∑𝑁𝑖=1𝑎𝑘𝑖𝑛𝑖 = 𝑏𝑘, 𝑘 = 1,2, … , 𝑀, [4.1]
Donde 𝑎𝑘𝑖 es el subíndice del k-ésimo elemento en la fórmula molecular de la especie 𝑖; 𝑛𝑖 es el número de moles de 𝑖 (de acuerdo a cierta base del sistema); 𝑏𝑘 es el número fijo de moles del k-ésimo elemento en el sistema; 𝑀 es el número de elementos y 𝑁 el número de especies.
Funciones de potencial químico y criterios de equilibrio
La segunda ley de la termodinámica proporciona varias funciones que regulan la dirección de los procesos naturales o espontáneos. La función potencial particular apropiada en una situación dada está definida por la selección de variables termodinámicas. Las especificaciones de los valores de estas variables definen el estado del sistema. Por tanto, estas funciones se conocen como funciones de estado.
Capítulo 4. Simulación del Precalentador – Horno rotatorio
Entre las funciones de mayor importancia se encuentran la función de entropía, la función de energía de Helmholtz y la función de energía libre de Gibbs. De estas tres funciones, la más importante, debido a las restricciones, temperatura y presión, es la Energía Libre de Gibbs; para dicha energía se tiene:
𝑑𝐺𝑇,𝑃 ≤ 0 [4.2]
En donde el símbolo 𝑑 se refiere a un cambio infinitesimal, la desigualdad se refiere a un proceso espontáneo y la igualdad al equilibrio. En el equilibrio, dependiendo de las restricciones apropiadas, la Energía Libre de Gibbs se encuentra en un mínimo.
Minimización de la Energía Libre de Gibbs
El criterio para la condición termodinámica de espontaneidad de un proceso en un sistema se expresa en términos de la energía libre de Gibbs[30]. La energía libre de Gibbs está en función de:
𝐺 = 𝐺(𝑇, 𝑃,𝜉) [4.3]
Donde:
T = Temperatura, P = Presión, ξ = Grado de conversión de la reacción
La condición de equilibrio de un sistema de una fase o de fases múltiples es que su Energía libre de Gibbs global sea un mínimo, sujeto a la restricción del sistema cerrado y a la restricción de no negatividad y a las condiciones termodinámicas establecidas, es decir T y P fijos. Una gráfica esquemática del principio de energía mínima se muestra en la Figura 7.
Capítulo 4. Simulación del Precalentador – Horno rotatorio
Figura 7. Gráfica de grado de avance contra energía libre de gibbs.
Matemáticamente lo anterior se expresa como:
(
𝜕𝐺𝜕ξ
)
𝑇, 𝑃= 0
[4.4]
4.1.3 Cálculo termodinámico en el precalentador
Para realizar el cálculo termodinámico se utilizó el módulo Equilib[31], el cual permite calcular las concentraciones de las especies químicas cuando elementos específicos o compuestos reaccionan para alcanzar un estado de equilibrio químico.
Se realizaron los cálculos con las siguientes cantidades de compuestos en la harina cruda, obtenidos mediante un muestreo in-situ Tabla 11.
Tabla 11. Composición química de la harina cruda.
Especie % masa SiO2 13.95 Al2O3 3.13 Fe2O3 2.47 CaO 44.37 MgO 0.72 SO3 0.03 Na2O 0.09 K2O 0.38 CO2 34.86
Capítulo 4. Simulación del Precalentador – Horno rotatorio
En la Tabla 12 se presentan los resultados de los cálculos termmodinámicos para las etapas del precalentador. Se observó, que hay una disminución significativa de la cantidad de carbonato de calcio y la formación de las diferentes especies de silicatos o silicoaluminatos de calcio. Se puede observar que las especies que salen al final del precalentador y que ingresan al horno rotatorio son solamente seis, es decir, hay disminución del número de compuestos y que el azufre que ingresa en la harina cruda y en los gases provenientes de otras etapas, se fija como sulfato de potasio.
Tabla 12. Resumen de las especies en equilibrio de acuerdo a la temperatura, presión y etapas del precalentador del horno.
Etapa IV
% peso Etapa III % peso Etapa II % peso Etapa I % peso
CaCO3 = 63.45 CaCO3 = 31.84 CaO = 22.79 CaO = 22.78
Ca3Al2Si3O12= 14.82 Ca2SiO4 = 50.66 Ca2SiO4 = 59.46 Ca2SiO4 = 59.45
Ca3Fe2Si3O12 = 3.86 Ca2Fe2O5 = 5.44 Ca2Fe2O5 = 6.52 Ca2Fe2O5 = 6.51
Ca3Si2O7 = 9.97 Ca3MgSi2O8 =1.08 Ca3MgSi2O8 = 1.49 Ca3MgSi2O8 = 1.48
Ca3MgSi2O8 = 7.15 Ca3MgAl4O10 = 8.17 Ca3MgAl4O10 = 9.58 Ca3MgAl4O10 = 9.57
Ca2Na2Si3O9 = 0.64 K2Ca2(CO3)3 = 1.62 K2SO4 = 0.14 K2SO4 = 0.13
K2SO4 = 0.098 Ca2Na2Si3O9 = 0.68
K3Na(SO4)2 = 0.10
T = 413°C T = 595°C T = 807 °C T = 873 °C
P = 0.046 atm P = 0.03 atm P = 0.02 atm P = 0.02 atm
4.2 Simulación del Horno Rotatorio
Para la simulación del horno[32] se considerará que la temperatura del sólido estará directamente afectada por el ascenso de los gases de combustión y por la masa del mismo. Este calor que tendrá el sólido se transmitirá a través del refractario y la coraza del horno, (Figura 8). Este calor transmitido desde el interior hasta la superficie ayudará a validar el modelo y precisar la cantidad de sólido que se encuentra en cierta sección del
Capítulo 4. Simulación del Precalentador – Horno rotatorio
horno rotatorio (grado de llenado) y a partir de ello poder calcular mediante la termodinámica las fases del mismo.
Figura 8. Esquema de transferencia de calor dentro del horno.
La conducción es la transferencia de calor[33] de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las menos energéticas adyacentes, como resultado de la interacción entre ellas, y es expresada por la ley de Fourier de la conducción del calor como:
𝑄̇𝑐𝑜𝑛𝑑 = −𝑘𝐴𝑑𝑇
𝑑𝑥 [4.5]
donde 𝑘 es la conductividad térmica del material, 𝐴 es el área perpendicular a la dirección de la transferencia de calor y 𝑑𝑇/𝑑𝑥 es el gradiente de temperatura. La magnitud de la rapidez de conducción del calor a través de una capa plana de espesor 𝐿 se expresa por:
𝑄̇𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑘𝐴∆𝑇
𝐿 [4.6] donde ∆𝑇 es la diferencia de temperatura de uno a otro lado de la capa.
La convección es el modo de transferencia de calor[34] entre una superficie sólida y el líquido o gas adyacente que se encuentra en movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y del fluido en movimiento.
Capítulo 4. Simulación del Precalentador – Horno rotatorio
La razón de la transferencia de calor por convección se expresa por la ley de Newton del enfriamiento como:
𝑄̇𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛= ℎ𝐴𝑠(𝑇𝑆− 𝑇∞) [4.7] donde ℎ es el coeficiente de transferencia de calor por convección, en 𝑊/𝑚2∙ 𝐾 o 𝐵𝑡𝑢/ℎ ∙ 𝑓𝑡2∙ °𝐹, 𝐴
𝑠 es el área superficial a través de la cual tiene lugar esa transferencia, 𝑇𝑠 es la temperatura de la superficie y 𝑇∞ es la temperatura del fluido suficientemente lejos de dicha superficie.
La radiación es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas (o fotones), como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. La razón máxima de la radiación que se puede emitir desde una superficie a una temperatura termodinámica 𝑇𝑠 es expresada por la ley de Stefan-Boltzmann[35] como:
𝑄̇𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑜,𝑚á𝑥= 𝜎𝐴𝑠𝑇𝑠4 [4.8] donde 𝜎 = 5.67 𝑥 10−8 𝑊/𝑚2∙ 𝐾4 o 0.1714 𝑥 10−8 𝐵𝑡𝑢/ℎ ∙ 𝑓𝑡2∙ 𝑅4 es la constante Stefan-Boltzmann.
4.2.1 Proceso adiabático
El proceso adiabático[36] es un proceso en el que no hay intercambio de calor (energía) entre el sistema y el ambiente, es decir, 𝑄 = 0. Este tipo de proceso tiene lugar si el sistema está perfectamente aislado térmicamente, o bien, si se realiza suficientemente rápido como para que no haya tiempo suficiente para que se produzca un intercambio de calor con el ambiente. Por la primera ley de la termodinámica, para todo proceso adiabático:
𝑈2− 𝑈1 = ∆𝑈 = −𝑊 [4.9] Cuando un sistema se expande adiabáticamente, 𝑊 es positivo (el sistema efectúa trabajo sobre su entorno), así que ∆𝑈 es negativo y la energía interna disminuye. Si un sistema se comprime adiabáticamente, 𝑊 es negativo (el entorno efectúa trabajo sobre el sistema) y 𝑈 aumenta.
Capítulo 4. Simulación del Precalentador – Horno rotatorio
4.2.2 Temperatura de flama adiabática
Los cálculos de la temperatura de flama adiabática de la reacción comburente/combustibles, los cuales se utilizan en el precalentador-horno, se llevaron a cabo en el módulo “Equilib” del software FACTsage.
Coque de Petróleo
Primeramente, se consideró que la reacción tiene lugar entre 6698 kg/h de coque con composición química estándar en %masa: (84.68% Carbón Fijo, 3.42% Azufre, 5.21% Humedad) y 7725.58 kg/h de aire, estos valores de la reacción aire/coque corresponden a las cantidades que se alimentan en el quemador del horno rotatorio, al realizar el cálculo se obtuvo una temperatura de flama adiabática de 1565.57°C.
Teniendo como base la temperatura de 1565.57°C, se realizó un nuevo cálculo de la temperatura de flama, con la finalidad de determinar el comportamiento de la misma, pero, variando la cantidad de aire y dejando constante la cantidad de coque, en la Figura 9 se puede observar que conforme el aire incrementa, la temperatura de flama disminuye. 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1537.75 1553.58 1565.57 1569.74 1586.21 Tem per at ur a de Fl am a (°C ) Aire/Coque (kg/hr)
Capítulo 4. Simulación del Precalentador – Horno rotatorio
Con la finalidad de obtener el mismo perfil de temperaturas de la reacción aire/coque, y establecer el comportamiento de la flama con diferentes combustibles, se realizaron simulaciones manteniendo el aire constante y variando la cantidad de los combustibles (combustóleo, plástico y llanta).
Combustóleo
Ya teniendo la cantidad optima de los diferentes combustibles, se realizó el mismo cálculo para la temperatura de flama adiabática pero utilizando la reacción entre aire/combustóleo con composición química estándar en %masa: (82.80% Carbono, 12.19% Hidrogeno, 2.15% Oxígeno, 2.80% Azufre)[37].
En la Figura 10 se presentan las temperaturas de flama que se obtienen de la reacción aire/combustóleo, se observa el mismo perfil de temperatura que en la Figura 9, solo que, en este caso, se utilizó menos cantidad de combustible, es decir, 1113.12 kg/h de combustóleo, casi una sexta parte en proporción a la cantidad de coque.
6.80 6.85 6.90 6.95 7.00 7.05 7.10 7.15 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1537.56 1553.50 1565.57 1569.76 1586.36 Tem per at ur a de fla m a (°C ) Aire/Combustóleo (kg/hr)
Capítulo 4. Simulación del Precalentador – Horno rotatorio
Llanta
En la Figura 11 se muestran las temperaturas de flama obtenidas de la reacción entre aire/ llanta con composición química estándar en %masa: (73% Carbono, 6% Hidrogeno, 4% Oxígeno, 1.4% Nitrógeno, 1.3% Azufre, 0.07% Cloro, 1.5% Zinc, 13.5% Hierro)[38]. Al igual que en la figura 9, 10 se observa el mismo perfil de temperatura, pero la cantidad de llanta es de 2582.45 kg/h, es decir, casi el 50% de la cantidad de coque y el doble de lo que se utiliza de combustóleo.
Plástico
Para el cálculo de la reacción entre aire/plástico se utilizó 1529.57 kg/h de plástico con composición química estándar en %masa: (65% Carbono, 9.5% Hidrogeno, 6.5% Oxígeno, 2.5% Nitrógeno, 0.1% Azufre, 5.9% Cloro)[39]. En la Figura 12 se observa como es el comportamiento de la flama, siendo el mismo que en las figuras 9,10,11. Referente a la cantidad que se utilizó con los demás combustibles, la del plástico representa sólo una
2.94 2.96 2.98 3.00 3.02 3.04 3.06 3.08 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1537.89 1553.65 1565.57 1569.71 1586.07 Tem per at ur a de Fl am a (°C ) Aire/Llanta (kg/hr)
Capítulo 4. Simulación del Precalentador – Horno rotatorio
cuarta parte de la cantidad de coque, aproximadamente un 37% más que la cantidad de combustóleo y 2/3 partes en proporción a la cantidad de llanta.
4.2.3 Gases de combustión
Los gases de escape[40] generados en los procesos de combustión se denominan gases de combustión. Su composición depende del tipo de combustible y de las condiciones de combustión, ej. el valor del coeficiente de exceso de aire.
Muchos de los componentes de los gases de combustión son contaminantes del aire y por tanto deben eliminarse de los gases de combustión con procedimientos especiales de limpieza extremadamente lentos y costosos, antes de liberar el gas a la atmósfera conforme a la normativa legal. Los gases de combustión en su estado original se conocen como gases brutos y como gas limpio una vez que han pasado por las fases de limpieza.
A continuación, se explican los principales componentes de los gases de combustión: Nitrógeno (N2)
Con el 79 % en volumen, el nitrógeno es el principal componente del aire. Este gas incoloro, inodoro e insípido se aporta mediante el aire de combustión, pero no tiene un
4.95 5.00 5.05 5.10 5.15 5.20 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1537.62 1553.52 1565.57 1569.75 1586.31 Tem per at ur a de Fl am a (°C ) Aire/Plástico (kg/hr)
Capítulo 4. Simulación del Precalentador – Horno rotatorio
papel directo en la misma; pasa como medio inerte y disipa el calor y se devuelve a la atmósfera.
Oxígeno (O2)
El Oxígeno es uno de los elementos indispensables para la combustión y se encuentra presente en el aire en una concentración del 21%. Si su mezcla es demasiado rica o demasiado pobre, el oxígeno no podrá oxidar todos los enlaces de hidrocarburos y será expulsado con el resto de los gases de escape.
Vapor de agua
El vapor de agua se produce como consecuencia de la combustión, mediante la oxidación del hidrógeno, y se libera junto con los gases de escape.
Dióxido de carbono (CO2)
El dióxido de carbono es un gas incoloro e insípido [41], con un gusto ligeramente ácido, y se genera en todos los procesos de combustión y durante la respiración. Debido a su propiedad de filtrar el calor radiante, es una contribución importante al efecto invernadero.
Monóxido de carbono (CO)
El monóxido de carbono es un gas tóxico incoloro e inodoro. Se genera en gran medida como consecuencia de la combustión incompleta de combustibles fósiles (instalaciones de combustión), combustibles de motor (vehículos) y otros materiales que contienen carbono. El CO es, en general, inocuo para las personas porque rápidamente se une con el oxígeno del aire para formar CO2.
Óxidos de nitrógeno (NO y NO2, fórmula total NOx)
En los procesos de combustión[42], el nitrógeno del combustible y, a temperaturas elevadas, el del aire de combustión se une en cierta medida con el oxígeno del aire de combustión para formar óxido nítrico en primera instancia, que luego se oxida cuando
Capítulo 4. Simulación del Precalentador – Horno rotatorio
entra en contacto con el oxígeno en el conducto de los gases de combustión y posteriormente en la atmósfera, para formar el peligroso dióxido de nitrógeno (NO2). Ambos óxidos son tóxicos; el NO2 en particular es un peligroso veneno respiratorio y en combinación con la luz solar contribuye a la formación de ozono.
Dióxido de azufre (SO2)
Es un gas incoloro con un característico olor asfixiante. Se trata de una sustancia reductora que, con el tiempo, el contacto con el aire y la humedad, se convierte en trióxido de azufre. La velocidad de esta reacción en condiciones normales es baja. En agua se disuelve formando una disolución ácida.
4.2.4 Balance de Calor
4.2.4.1 Perfil de temperatura del sólido
El sólido sólo recibe energía de los gases de combustión[43] mediante convección y radiación, así el balance de energía para el sólido puede escribirse de la siguiente forma:
𝑊𝑠∙ 𝐶𝑝𝑠∙ 𝑑𝑇𝑠 = ℎ𝑐∙ 𝑑𝐴𝑠∙ (𝑇𝑔− 𝑇𝑠) + ℎ𝑟∙ 𝑑𝐴𝑠∙ (𝑇𝑔− 𝑇𝑠) [4.10]
𝑊𝑠∙ 𝐶𝑝𝑠∙ 𝑑𝑇𝑠; Flujo de energía recibida por el sólido de los gases de combustión a través de los mecanismos de transmisión de calor de convección y radiación, donde:
𝑊𝑠; Caudal másico de sólido, en kg/s.
𝐶𝑝𝑠; Calor especifico a presión constante del sólido, en J/kg. K. 𝑑𝑇𝑠; Diferencial de temperatura en el sólido, en K.
ℎ𝑐 ∙ 𝑑𝐴𝑠∙ (𝑇𝑔− 𝑇𝑠); Flujo de calor por convección cedido al sólido por los gases de combustión, donde:
ℎ𝑐; Coeficiente de transmisión de calor por convección, en W/ m2K.
𝑑𝐴𝑠; Diferencial de área del sólido a través del cual se da la transferencia de calor entre el sólido y los gases de combustión, en m2.
Capítulo 4. Simulación del Precalentador – Horno rotatorio
(𝑇𝑔− 𝑇𝑠); Diferencia de temperaturas entre la temperatura de los gases de combustión y la temperatura del sólido, y fuerza impulsora de la transmisión de calor por convección.
ℎ𝑟∙ 𝑑𝐴𝑠∙ (𝑇𝑔− 𝑇𝑠); Flujo de calor por radiación cedido al sólido por los gases de combustión, donde:
ℎ𝑟; Coeficiente de transmisión de calor por radiación, en W/ m2K.
𝑑𝐴𝑠; Diferencial de área del sólido a través del cual se da la transferencia de calor entre el sólido y los gases de combustión, en m2.
(𝑇𝑔− 𝑇𝑠); Diferencia de temperaturas entre la temperatura de los gases de combustión y la temperatura del sólido, y fuerza impulsora de la transmisión de calor por radiación.
Reordenando variables y despejando en la ecuación:
𝑊𝑠∙ 𝐶𝑝𝑠∙ 𝑑𝑇𝑠 = ℎ𝑐 ∙ 𝑑𝐴𝑠∙ (𝑇𝑔− 𝑇𝑠) + ℎ𝑟∙ 𝑑𝐴𝑠 ∙ (𝑇𝑔− 𝑇𝑠) [4.11]
𝑊𝑠∙ 𝐶𝑝𝑠∙ 𝑑𝑇𝑠 = 𝑑𝐴𝑠 ∙ (ℎ𝑐 + ℎ𝑟) ∙ (𝑇𝑔− 𝑇𝑠) [4.12]
𝑑𝐴𝑠; Área ficticia del sólido a través de la cual intercambia calor con los gases de combustión en el supuesto de capa plana. Se expresa 𝑑𝐴𝑠 de forma que dependa de la longitud de capa plana “m” y de la coordenada axial “z”, coordenada en la cual se ha considerado que se transmite el calor en el sistema.
Si se realiza un corte longitudinal al cilindro del horno, la capa de material sólido seria:
𝑑𝐴𝑠 = 𝑚 ∙ 𝑑𝑧 [4.13]
Introduciendo el valor de dAs en la (ecuación 4.12), se obtiene el perfil de temperaturas del sólido con respecto a la coordenada axial z.
[4.14] 𝒅𝑻𝒔/ 𝒅𝒛 = ((𝒉𝒄+ 𝒉𝒓) ∙ 𝒎 ∙ (𝑻𝒈− 𝑻𝒔))/𝑾𝒔∙ 𝑪𝒑𝒔
