Tecnología de fabricación de clinker empleando biomasa forestal.

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(1)UNIVERSIDAD DE CAMAGÜEY FACULTAD ELECTROMECANICA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA. TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN DE CLINKER EMPLEANDO BIOMASA FORESTAL.. Memoria presentada en opción al Título Académico Master en Eficiencia Energética.. Autor: Walter Rogelio Guerra Quintero Tutor: Dr. Carlos E Romero Perdomo.. CAMAGÜEY, 2016.

(2) I. Pensamiento Lo esencial es invisible para los ojos, sólo se ve con el corazón. Antoine de Saint-Exupéry (El principito) A mi familia Agradecimientos Es difícil entender la importancia de los agradecimientos de una tesis de maestría hasta que no se ha terminado. En ese momento te das cuenta de cuánto tienes que agradecer a tantas personas. Intentaré resumir en unas líneas la gratitud que siento a todas aquellas que han estado presentes durante esa etapa, haciendo posible que hoy deje de ser un sueño para pasar a ser una realidad. De forma muy especial, quiero dejar constancia de mi agradecimiento a la persona sin la cual esta Tesis no estaría sobre sus manos, mi profesor Rafael Leyva y mi tutor Carlos Romero por su total dedicación, entusiasmo, apoyo, paciencia, generosidad, sabiduría; muchos son los halagos que debo dedicarle. Mucho más que un profesor, un gran amigo ¡Mil gracias, Rafael!. A mis compañeros de trabajo por sus palabras de ánimo, y disposición para ayudar siempre en todo lo posible ¡Todos son estupendos! También quiero dar las gracias a los compañeros de la fábrica de cemento¨26 de Julio¨ con los que contactamos, en especial a Venzan y Barroso, muy amablemente, nos ofreció toda la información posible y con la cual corroboramos que nuestro proyecto iba por buen camino ¡Por fin! Todo esto nunca hubiera sido posible sin el amparo incondicional de mi familia, que me ha ofrecido en todo momento su apoyo, paciencia, cariño y ánimo ¡Ha valido la pena! Y, en especial, a mi madre y mis hijas, Elsa, Geymi y Geydis ¡Las quiero!.

(3) …II. Índice RESUMEN ................................................................................................................................ 1 SUMMARY ............................................................................................................................... 2 INTRODUCCION ..................................................................................................................... 3 CAPITULO 1 ............................................................................................................................ 9 1.1.. El proceso de fabricación de cemento. .............................................................................. 9. 1.1.1.. El proceso térmico en el horno para la fabricación del clinker. .................................... 14. 1.1.2.. Principios de la combustión de la biomasa. .................................................................. 25. 1.1.3.. La biomasa como energía a nivel internacional............................................................ 29. 1.1.4.. La biomasa como energía en Cuba. ............................................................................. 30. 1.1.5.. Caracterización de la biomasa..................................................................................... 31. 1.1.5.1.. Propiedades de la biomasa vegetal. .......................................................................... 32. 1.1.5.2.. Composición elemental, CHNOS. ............................................................................ 33. 1.1.5.3.. Proporción de carbón fijo, material volátil y cenizas. ............................................... 34. 1.1.5.4.. Cenizas y componentes alcalinos. ............................................................................. 35. 1.1.5.5.. Valor calórico. ......................................................................................................... 36. 1.1.5.6.. Humedad. ............................................................................................................... 36. 1.1.5.7.. Torrefacción como tecnología de pre tratamiento de la biomasa. .............................. 37. 1.1.5.7.1.. Proceso de torrefacción. ....................................................................................... 37. 1.1.5.7.2.. Propiedades de la biomasa torrefactada. ............................................................... 38. 1.1.6.. La biomasa seleccionada como combustible................................................................. 40. 1.1.7. Descripción del proceso tecnológico. ............................................................................ 42. 1.1.8. Tecnología del quemador de carbón. ........................................................................... 44. 1.1.9 El proceso de fabricación de clinker en la fábrica ¨26 de Julio¨ de Nuevitas. El horno de clinker. 46.

(4) …III. CAPITULO 2. Tecnología para la fabricación de clinker con empleo de biomasa. ..................... 49 2.1. El uso de biomasa en la fabricación de clinker. ............................................................... 49. 2.2. Determinación de los parámetros requeridos para la combustión. ................................... 49. 2.3 Fundamentación y diseño de la tecnología para la fabricación de clinker empleando biomasa forestal proveniente del marabú. ................................................................................ 51 2.4 Evaluación financiera de la idea de sustituir CPC por biomasa forestal en la fabricación de clinker. .................................................................................................................................... 53 2.4.1.. Bases para el cálculo del proyecto. .............................................................................. 56. 2.4.2.. Gastos de consumo combustible, lubricante, mantenimiento, salarios y manipulación. . 57. 2.4.3.. Resumen y resultados obtenidos del análisis económico. .............................................. 58. 2.5.. Valoración del impacto energético. ................................................................................. 60. 2.6.. Valoración del impacto ambiental. ................................................................................. 60. 2.7.. Valoración del impacto social. ........................................................................................ 61. 2.8.. Validación de la tecnología propuesta. ............................................................................ 62. Conclusiones parciales del capítulo. ......................................................................................... 62 Conclusiones generales ............................................................................................................ 64 Recomendaciones .................................................................................................................... 64 Bibliografía.............................................................................................................................. 65 Anexos..................................................................................................................................... 71.

(5) …1. RESUMEN El trabajo consiste en la propuesta de la tecnología que se necesita para combustionar la biomasa y utilizarla en la generación de calor industrial del horno # 3 de la fábrica ″26 de Julio″ de Nuevitas, con una capacidad de producción de clinker, que es el producto primario de la fábrica de cemento de 500 t / día, el cual tiene un consumo específico de combustible Crudo Pesado Cubano de 200 kg/t. Para promover el uso de la biomasa en esta actividad nos propusimos, el objetivo de demostrar que “La generación de calor en el horno de clinker# 3 de la fábrica de cemento de Nuevitas, utilizando la biomasa del marabú como combustible es factible técnica y económicamente”, para un tiempo de explotación anual de 8000 horas permitiendo disminuir los costos de producción de clinker en 8 885 999 MT por concepto de 33 333,33 toneladas de combustible Crudo Pesado Cubano dejado de consumir. Obteniéndose como resultado que trabajando el horno con biomasa se puede alcanzar el calor necesario para la formación del clinker, garantizándose la suficiente temperatura y entalpía de los gases de la combustión para mantener el intercambio de calor radiante y convectivo durante el proceso de fabricación de clinker. Como beneficios ambientales derivados de la aplicación del presente trabajo tenemos la no emisión de dióxido de carbono proveniente de combustibles fósiles, pues la emisión del mismo por la biomasa es menor que la cantidad que absorbe durante su ciclo vegetativo y la eliminación del azufre en los gases producto de la combustión..

(6) …2. SUMMARY The work is the proposal of the technology needed to combust biomass and used in the generation of process heat the oven # 3 of the factory, "July 26" of Nuevitas, with a production capacity of clinker, which is the primary product cement factory 500 t / day, which has a specific fuel consumption of heavy Cuban fuel oil 200 kg / t. To promote the use of biomass in this activity we proposed, in order to show that "The generation of heat in the clinker kiln # 3 cement factory Nuevitas, using biomass marabou fuel is technically and economically feasible "for an annual operating time of 8,000 hours reduce the costs of production of clinker in MT 8 885 999 in respect to 33 333.33 tons of heavy Cuban fuel oil stopped using. Result indicate that working oven biomass can achieve the necessary heat for clinker formation, ensuring sufficient temperature and enthalpy of the flue gas to maintain the exchange of radiant and convective heat during clinker production. As environmental benefits of the implementation of this work have not emitting carbon dioxide from fossil fuels, as the issue of same by the biomass is less than the amount absorbed during its growth cycle and removal of sulfur gases combustion product..

(7) …3. INTRODUCCION El desarrollo sostenible del país un objetivo esencial para toda la sociedad, y al mismo tiempo uno de los grandes retos a los que deberá enfrentarse la humanidad en este siglo. Las premisas de partida para lograr este reto, apuntan ineludiblemente hacia la necesidad de realizar grandes cambios en el escenario energético territorial y mundial. Lógicamente, estos cambios estarán asociados a la introducción de nuevos desarrollos y estrategias, encaminados a alcanzar objetivos enérgicamente sostenibles, es decir, compatibles con el mejoramiento de la calidad medioambiental y que contribuya al desarrollo global. En el Plan Nacional de Desarrollo Económico y Social hasta el 2030, en correspondencia con los Lineamientos de la Política Económica y Social aprobados en el 6to Congreso del Partido Comunista de Cuba, y su actualización para el período 2016-2021 aprobada en el 7mo Congreso, en la sección correspondiente a los Sectores Económicos Estratégicos se contempla el sector Electroenergético, enfocado al uso de las fuentes renovables de energía y la elevación de la eficiencia [1]. El sector de la economía dedicada a la producción de cemento, no solo en Cuba, es considerado uno de los mayores consumidores de portadores energéticos y también de los de mayor incidencia en la contaminación del medio ambiente. En este último aspecto, se considera que al nivel mundial la industria cementera produce alrededor del 5% de las emisiones totales de CO2 debidas a la acción humana [2,3]. Las fuentes de estas emisiones, de acuerdo con los datos disponibles en Oficemen corresponden a que el 60%, en el orden de 525 kg CO2/t de clinker, se deben al proceso de descarbonatación (transformación de la caliza en cal viva), y entre el 30 y 40%, aproximadamente, corresponde al uso de los combustibles necesarios en el proceso [4], a pesar de que tales emisiones se pueden mitigar con el uso de combustibles alternativos derivados de la biomasa, aplicándose nuevas tecnologías especialmente en las plantas que operan con procesos húmedos. La producción de cemento en Camagüey está confiada a la Planta “26 de Julio” en el municipio Nuevitas. Su misión es producir clinker y cemento gris en correspondencia con las exigencias del mercado y con niveles de competitividad que propicien la modernización tecnológica, la protección del medio ambiente, la satisfacción de los trabajadores y una notable contribución al desarrollo social del territorio..

(8) …4. En el orden económico, en el caso específico de la Planta “26 de Julio” de Nuevitas es considerada la más ineficiente desde el punto de vista energético en el país con un índice de consumo de energía eléctrica por encima de los 130 kWh / t, y por encima de 1800 kcal / kg de clinker con una productividad de 70 000 t al año de clinker (de las 200 000 t que puede producir) empleando 15 000 t de combustible crudo cubano y trabajando de 6000 a 7000 h anuales. Las producciones, por tanto, son bajas con un aumento ligero del consumo específico de combustible [5]. Esta fábrica de cemento utiliza como combustible en la fabricación del clinker mediante un proceso húmedo el combustible fósil denominado Crudo Pesado Cubano (CPC) que produce emanaciones al ambiente de gases de efecto invernadero (GEI), por lo que reducir las emisiones de dióxido de carbono de este proceso industrial se convierte en prioridad para la empresa en materia medioambiental. En ese sentido, se revela el interés de la comunidad científica por evaluar el impacto económico y medioambiental en este sector en el que se han realizado investigaciones y trabajos de carácter básicamente técnico, relacionados con las emisiones de CO2 derivados de sus procesos productivos, como los que abordan diferentes aspectos relacionados con la valorización energética y material de los residuos como alternativa para minimizar el impacto medioambiental y las reducciones de las emisiones de CO2 [4,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]. Los recursos de la naturaleza procedentes de los combustibles fósiles es limitado y resulta previsible su agotamiento así como el daño irreversible que se ocasiona al medio ambiente. Ello exige la adopción de nuevas estrategias, como base de un modelo de desarrollo sostenible por lo que es pertinente y oportuna la proposición de un recurso alternativo y renovable que contribuya a mitigar el cambio climático y el efecto invernadero. El enfoque en las tecnologías de reducción de emisiones para desarrollar una vía de transición en una industria que avanza al año 2050 con el propósito de lograr reducir a la mitad las emisiones actuales, centra la atención en el uso de combustibles alternativos como eje de reducción clave para reducir las emisiones de CO2 como es el caso de la biomasa forestal. Por las características de Cuba, el empleo como biomasa forestal de la Dichrostachys cinérea o marabú, parece tener notables perspectivas y valorar su empleo en los hornos de cemento y obtener un producto que en un período simple de retorno inferior a cinco años, lo haría atractivo al usar la biomasa como sustituto de combustibles fósiles..

(9) …5. Existen antecedentes interesantes al respecto. Por ejemplo en Namibia hay una experiencia relacionada con este tipo de investigación al existir una fábrica de cemento en la granja Sargberg situada al noreste de Otavi(Anexo 3, Foto No. 1 ), perteneciente a la empresa del Grupo Ohorongo Cemento, construida en el año 2010 que utiliza biomasa como combustible en el horno la Dichrostachys cinérea conocida como marabú. Esta planta de cemento en Ohorongo Sargberg, en plena producción en lugar de 70 000 a 75 000 t/año de carbón utiliza solamente 19 700 t de carbón ya que el resto (55 300 t) fueron reemplazadas por 85 000 t de astillas de madera. Esto representó un ahorro de carbón del 73%-79% por año. El carbón tiene poder calorífico de 6000 kcal/kg (o, a veces un poco más alto), mientras la madera tiene un valor calorífico de aproximadamente 3 900 kcal/kg. Así que se necesitaron más toneladas de astillas de madera para alcanzar las calorías que tiene el carbón. En Cuba no existe ninguna experiencia de producir el cemento utilizando biomasa como combustible, aunque si existen experiencias de la utilización del marabú en Camagüey para la generación de electricidad en el central azucarero “Carlos M. de Céspedes” en el año 2011 demostrando ser altamente competitivo y recuperándose las inversiones en menos de dos años de operación. Además, si se cortan las plantas en un periodo de tiempo entre dos y medio a tres años se garantiza la renovación de esta biomasa como cultivo energético permanente. En resumen, se devela en la Planta “26 de Julio” de Nuevitas un alto consumo específico de combustible Crudo Pesado Cubano de 200 kg/t de clinker y un consumo de energía eléctrica por encima de los 130 kWh / t, y por encima de 1800 kcal / kg de clinker producido lo cual la califica como la más ineficiente energéticamente de la plantas cementeras del País. Por otra parte, al utilizar para la producción del clinker, mediante el proceso húmedo, el combustible fósil Crudo Pesado Cubano (CPC) se producen emanaciones al ambiente de gases de efecto invernadero (GEI),emitiéndose con una capacidad instalada de 200 000 t/ anuales, 99 608 t/año de CO2, 7.93 t/año de CO y 3 752 t/año de SO2. De este modo se plantea en la investigación a realizar como problema científico la necesidad de disminuir los costos del combustible y las emanaciones nocivas que está afectando la eficiencia energética en el proceso de producción de clinker y al medioambiente en la fábrica “26 de Julio” de Nuevitas. El objeto de la investigación es el proceso térmico de la fabricación del clinker en hornos rotatorios de vía húmeda, planteándose como objetivo general diseñar una tecnología para la.

(10) …6. fabricación de clinker mediante procedimiento húmedo empleando como combustible biomasa forestal. El campo de acción se centra en el proceso de combustión que se produce en el horno empleando biomasa forestal proveniente del marabú. Entonces la hipótesis consiste en que si se diseña una tecnología para emplear biomasa forestal, proveniente del marabú, la cual no emite dióxido de carbono durante la combustión y es más barato que el CPC, contribuiría a disminuir los costos de producción vinculados al consumo de combustible y eliminar las emisiones de CO2 cumpliendo con los parámetros energéticos requeridos. Tareas científicas. 1. Caracterización del proceso térmico en la fabricación de clinker en hornos rotatorios utilizando el procedimiento húmedo. 2. Caracterización del proceso el proceso de combustión que se produce en el horno empleando biomasa forestal proveniente del marabú para la fabricación de clinker. 3. Determinación del estado actual del proceso térmico en la fabricación de clinker utilizando combustible fósil Crudo Pesado Cubano en la Planta “26 de Julio” de Nuevitas 4. Fundamentación y diseño de la tecnología para la fabricación de clinker empleando biomasa forestal proveniente del marabú. 5. Valoración del impacto económico, energético, ambiental y social de la tecnología propuesta. 6. Validación de la tecnología propuesta para la fabricación de clinker empleando biomasa forestal proveniente del marabú. Métodos y técnicas empleados. Método histórico-lógico: Se empleó en el análisis crítico de las principales fuentes teóricas acerca del empleo de biomasa forestal en la fabricación de clinker mediante proceso húmedo lo que permitió obtener los elementos teóricos indispensables para orientar la investigación. Método hipotético-deductivo: Para definir y formular el problema, a partir de la observación ordenada que incluyó el análisis documental, determinar el estado actual de la fabricación de clinker mediante proceso húmedo en la fábrica de cemento “26 de julio” de Nuevitas, establecer las posibles causas de las insuficiencias detectadas y su explicación. Mediante el proceso deductivo se establecieron las.

(11) …7. regularidades que permitieron dirigir la propuesta de solución con el empleo de la biomasa forestal procedente del marabú y extraer conclusiones válidas sobre el proceso de combustión de la misma para la fabricación del clinker. Método Sistémico Estructural Funcional: Facilitó apreciar la fabricación de clinker mediante proceso húmedo en la fábrica de cemento “26 de julio” de Nuevitas empleando biomasa forestal, apreciando como proceso clave el de la combustión del marabú e identificar cada uno de los componentes del proceso de fabricación evidenciando la dialéctica relacional y funcional en que operan, lo cual posibilitó proporcionarle enfoque sistémico a todo el proceso y diseñar la tecnología para ello lo que constituye la principal propuesta del trabajo de investigación. Métodos de evaluación de proyecto Mediante las técnicas de valor descontado, se emplearon los siguientes métodos [5]: 1. Valor Presente Neto (VPN) 2. Tasa Interna de Retorno (TIR) 3. Período de Recuperación de la Inversión (PRI) 4. Relación Beneficio -Costo (RBC) Permitieron tomar en consideración la variación del valor del dinero en el tiempo al analizar los beneficios y costos esperados durante la vida útil del equipamiento y al graficar el valor actual neto vs tiempo se obtiene el periodo en que se recupera la inversión. Por otra parte al graficarse los valores de entalpias vs temperatura permiten analizar si el combustible propuesto cumple con las exigencias del proceso. Aportes Constituyen aportes del trabajo realizado: la caracterización del proceso térmico en la fabricación de clinker en hornos rotatorios mediante el procedimiento húmedo, empleando biomasa forestal procedente del marabú; la fundamentación teórica y el diseño de la tecnología para la fabricación de clinker empleando biomasa proveniente del marabú; y la valoración de los impactos económico, energético, ambiental y social de la tecnología propuesta..

(12) …8. Novedad Concebir una tecnología para la fabricación del clinker empleando biomasa forestal proveniente del marabú, la cual no emite dióxido de carbono durante la combustión y resulta más económico que el empleo del Crudo Pesado Cubano que contribuye, una vez aplicada, a disminuir los costos de producción vinculados al consumo de combustible y eliminar las emisiones de CO2 cumpliendo con los parámetros energéticos requeridos en el proceso. Estructura de la memoria escrita Esta memoria escrita consta de dos capítulos, en el primero se aborda la caracterización del proceso térmico en la fabricación de clinker en hornos rotatorios utilizando el procedimiento húmedo, se caracteriza el proceso de combustión que se produce en el horno empleando biomasa forestal proveniente del marabú para la fabricación de clinker y se determina el estado actual del proceso térmico en la fabricación de clinker utilizando combustible fósil Crudo Pesado Cubano en la Planta “26 de Julio” de Nuevitas. Por su parte en el segundo capítulo se fundamenta y diseña la tecnología para la fabricación de clinker empleando biomasa forestal proveniente del marabú que incluye el análisis y valoración de la disponibilidad, factibilidad y suministro de la biomasa en el territorio de Nuevitas, se valida la tecnología propuesta para la fabricación de clinker empleando biomasa forestal proveniente del marabú y se realizan las valoraciones del impacto económico, energético, ambiental y social de la tecnología propuesta..

(13) …9. CAPITULO 1 1.1.. El proceso de fabricación de cemento.. En este capítulo se abordará brevemente sobre el proceso de fabricación de clinker en hornos rotatorios vía húmeda y de la combustión de biomasa forestal en dicho proceso, además se realizará una caracterización del proceso térmico de la combustión del crudo cubano en la fábrica “26 de Julio” y un análisis térmico de la combustión de la biomasa que necesita un proceso vía húmeda de la fabricación de clinker. El cemento es un conglomerante resultante de moler una roca artificial conocida como clinker con un determinado porcentaje de sulfato cálcico y otras adicciones. Es un material que se presenta en forma pulverulenta y con color grisáceo o blanco, que, en contacto con el agua forma estructuras sólidas a través de un proceso que se conoce con el nombre de fraguado. Las propiedades del cemento provienen fundamentalmente de la presencia en su formulación de cristales compuestos por enlaces de óxidos de cal, silicio, hierro y aluminio, en diferentes proporciones. Para que los enlaces entre los distintos óxidos se formen convenientemente, se requiere la semifusión de los materiales que intervienen y ello se consigue alcanzando temperaturas muy altas (1450 ºC para los materiales y 2000 ºC para los gases de combustión). Una vez que se alcanzan estas condiciones, se producen las distintas reacciones entre los óxidos presentes y se forman las moléculas complejas que confieren al cemento sus cualidades de ligante hidráulico. La química básica del proceso de manufactura de cemento comienza con la descomposición del carbonato de calcio (CaCO3) sobre 900 ºC para dar óxido de calcio (CaO) y liberar dióxido de carbono (CO2), proceso conocido como calcinación. Este es seguido por el denominado proceso de “clinkerización” mediante el que el óxido de calcio reacciona a temperatura elevada (típicamente, 1400-1500 ºC) con sílice, alúmina y óxido ferroso para formar los silicatos, aluminatos y ferritos de calcio de los que consta el clinker Portland. Este clinker se muele juntamente con yeso y otros aditivos para producir el cemento Portland. La fabricación del cemento se puede considerar una actividad industrial de procesado de minerales, que se puede dividir en tres etapas básicas:.

(14) …10. Obtención, preparación y molienda de las materias primas (caliza, marga, arcilla, pizarra, etc.), generalmente extraídas de canteras y que aportan los siguientes compuestos minerales: carbonato cálcico (CaCO3), óxido de silicio (SiO2), óxido de aluminio (Al2O3) y óxido de hierro (Fe2O3). Como resultado de esta primera etapa se obtiene una mezcla pulverulenta de los minerales que se denomina crudo o harina. Cocción o sinterización del crudo en hornos rotatorios hasta alcanzar la temperatura adecuada (1450 ºC) para ser enfriado bruscamente y obtener de esta manera un producto intermedio llamado clinker. Molienda del clinker con otros componentes: yeso (regulador de fraguado) y adiciones (escoria de alto horno, cenizas volantes, caliza, puzolanas), para dar lugar a los distintos tipos de cemento. Los hornos rotatorios que se utilizan en la industria cementera consisten en una funda de acero cilíndrica revestida de material refractario, ligeramente inclinada respecto a la horizontal que gira a razón de 1-3 rpm. Se opera en estos hornos en una configuración a contracorriente. Los gases y los sólidos fluyen en direcciones opuestas a través del horno, produciéndose una eficiente transferencia de calor. El alimento crudo se introduce por el extremo superior o frío del horno rotativo, mientras que la pendiente y la rotación hacen que éste se mueva hacia el extremo inferior o caliente. Se calienta el horno desde el extremo inferior, habitualmente con derivados del petróleo como combustible primario. A medida que se mueve a través del horno y va calentándose, el alimento experimenta reacciones de secado y piro procesamiento para formar el clinker, que consiste en trozos de material no combustible fusionados. Dichos hornos rotatorios difieren de los clásicos procesos de combustión en que los materiales de entrada y los gases de salida se cruzan en contracorriente produciendo una minuciosa mezcla a temperaturas superiores a 1400 ºC en el extremo más caliente, donde se forma el clinker con largos tiempos de residencia. La composición típica del clinker expresada en porcentaje en peso, así como los márgenes de concentración se muestra a continuación en la siguiente tabla No 1..

(15) …11. Tabla No 1. Composición típica del clinker [17]. Clinker. Límites del clinker. (%en peso). (%en peso). CaO. 64,00. 60 – 69. SiO2. 20,00. 18 – 24. Al2O3. 6,00. 4–8. Fe2O3. 3,00. 1–8. Componentes. Otros MgO (1.47%). < 2,0 7,00. Álcalis (K2O, Na2O) (1.47 %). 2,0. SO3 (0.81 %) TOTAL. < 3,0 (en cemento) 100,00. Lo normal es que el clinker contenga cerca de 67% de CaO, 22% de SiO2, 5% de Al2O3, 3% de Fe2O3 y 3% de otros componentes [18]. Con la excepción de los hornos de eje vertical que se siguen usando en determinadas zonas geográficas (principalmente en China y la India) [19], el clinker de cemento se calcina predominantemente en hornos rotatorios, donde el calentamiento del crudo se puede llevar a cabo mediante cuatro tipos de procesos distintos: vía seca, vía semiseca, vía semihúmeda y vía húmeda [9] (Anexo 1, Figura No 1.) En el proceso vía húmeda, las materias primas se trituran con agua para formar una pasta bombeable con un contenido de agua de un 30-40%. La pasta se introduce directamente en el extremo más elevado del horno. Este proceso utiliza aproximadamente un 40% más de energía que el proceso seco. A pesar de que la vía húmeda permite un manejo y una homogeneización más fácil de las materias primas, los avances tecnológicos incorporados en la producción facilitan la preparación de una mezcla homogénea de las materias primas usando la vía seca, con menor consumo de agua y con un menor impacto medioambiental..

(16) …12. En los procesos vía semiseca y semihúmeda el material de alimentación se obtiene añadiendo o eliminando agua (filtros prensa), respectivamente, de forma que se obtienen "pellets" o gránulos con un 15-20 % de humedad, que son depositados en parrillas móviles, a través de las cuales se hacen circular los gases calientes provenientes del horno para precalentarlos. Cuando el material alcanza la entrada del horno, el agua se ha evaporado y comienza la calcinación. Por otra parte, la fabricación por vía húmeda sigue predominando en la Antigua Unión Soviética, Australia, Nueva Zelanda y no ha dejado de tener importancia en Canadá, la India, América Latina y África [20]. En el proceso vía seca, las materias primas se trituran y deshidratan en una mezcla comúnmente denominada crudo o harina. El crudo se alimenta a un horno con precalentador y con precalcinador, o menos habitualmente, a un horno largo de vía seca. El sistema del horno comprende una torre de ciclones para el intercambio de calor, en la que se precalienta el material en contacto con los gases procedentes del horno rotatorio. El proceso de descarbonatación de la caliza (calcinación) puede estar casi completado antes de la entrada del material en el horno si se instala una cámara de combustión a la que se añade parte del combustible (precalcinador). En todos los casos, los gases circulan en sentido contrario al avance de los materiales (contracorriente). El flujo de los gases está forzado mediante aspiración de un ventilador situado aguas abajo del horno, el cual es capaz de mantener todo el horno con una presión menor que la atmosférica (depresión). La cocción del clinker se realiza en un horno rotativo que puede formar parte de un sistema de horno horizontal de proceso húmedo o seco; de un sistema de horno con precalentador de parrilla tipo Lepol [21] de proceso semihúmedo o semiseco; de un sistema de horno con precalentador de suspensión de proceso seco; o de un sistema de horno con precalentador y precalcinador. Siguiendo con el proceso de producción del cemento, la última etapa comprende el enfriamiento del clinker con objeto de mantener su estructura cristalina y estabilizar los componentes formados a 1450 ºC. El clinker abandona el extremo caliente del horno a una temperatura de 1050 ± 50 ºC. Luego cae dentro de un enfriador de clinker, generalmente una rejilla desplazable con ventiladores inferiores que lanzan un chorro de aire frío.

(17) …13. Por último, el clinker enfriado se mezcla con yeso y otras adicciones, todos los componentes, se muelen hasta obtener un fino polvo homogéneo formando el cemento, el cual se almacena en silos antes de su transporte a granel o envasado. La combustión en el horno de clinker tiene lugar: En el quemador principal, situado en la parte más baja del horno, donde la llama alcanza una temperatura cercana a los 2000 ºC y los gases de combustión se mantienen a más de 1200 ºC durante un tiempo superior a 5 s, en atmósfera oxidante (exceso de oxigeno). Esta opción se encuentra en todos los hornos de producción del clinker [17]. Las condiciones de combustión en los diferentes sistemas de operación se recogen en la Tabla No 2. Tabla No 2. Condiciones de combustión según el tipo de horno de clinker [17]. Tiempo residencia (s). Temperatura. T > 1200 º C. llama (º C). Húmedo. > 11. 1950 – 2300. Seco. > 5.4. 2150. Semihúmedo/semiseco. > 6.7. – 2000. Sistema. de. la. En los últimos años se ha realizado un continuo progreso en la modernización de la industria cementera, mejorando la eficiencia energética de los hornos y desarrollando nuevos tipos (Tabla No 3). En las últimas décadas se ha reducido el consumo de energía para fabricar una tonelada de cemento aproximadamente en un 30 % [22]. Sin embargo, esta reducción se encuentra en una fase asintótica, es decir, que en el futuro ya no habrá apenas margen de maniobra para seguir reduciéndolo. Esta es la razón principal por la que el sector ha buscado utilizar la flexibilidad de los hornos de esta industria para sustituir los combustibles tradicionales por otros como residuos o subproductos. Tabla No 3. Evolución histórica de la eficiencia energética y combustión de los hornos de clinker [17]. Energía térmica. CO2 combustion. (kcal/kg clinker). (kg/t clinker). 1880. 3 000. 1 900. 1900. 2 500. 1 583. Tipo de Horno. Año. Hornos de flecha Primeros hornos rotativos.

(18) …14. Primeros hornos via húmeda. 1940. 1 500. 950. Hornos vía húmeda modernos. 1955. 1300. 823. Hornos largos via seca. 1970. 1 050. 665. Hornos con precalentamiento. 1975. 850. 538. Hornos con precalcinador. 1980. 800. 507. Precalcinador con 40 % combustible. 1995. 750. 380. Precalcinador con 60 % combustible. 2000. 725. 298. En estas circunstancias el consumo de combustibles en el horno se sitúa entre 700 y 1300 kcal/kg de clinker (3000–5500 MJ/t). La mayor parte del consumo energético para la fabricación de cemento se concentra en la descarbonatación y la clinkerización de las materias primas en el horno, operación que consume cerca del 90 % de la energía total consumida en la fábrica. El proceso de cocción de las materias primas requiere un aporte energético teórico (reacciones químicas endotérmicas) de 1700 a 1800 MJ/t de clinker. Sin embargo, el consumo real depende del tipo de horno. Para líneas nuevas de vía seca, con precalentador de ciclones y precalcinador, la energía térmica consumida puede variar entre los 2900 y los 3200 MJ/t. 1.1.1. El proceso térmico en el horno para la fabricación del clinker. El proceso de producción del cemento [23] incluye la sinterización de la alimentación de crudo (compuesta de caliza y arcilla) a 1450 0C aproximadamente y la posterior molienda del clinker frío con un 5% de roca de yeso. Un requerimiento típico de energía para una producción eficiente puede aproximarse a 3000 kJ/kg de cemento, de los cuales, 2000 kJ/kg son empleados en el secado del crudo y en el desarrollo de las reacciones químicas (Tabla No 4), mientras que los otros 1000 kJ/kg se transforman en pérdidas de energía (radiación, evaporación, trituración, etc.)..

(19) …15. Tabla No 4. Reacciones y entalpías. Tomado de [24]. Reacción. No. Rango de. Entalpía estándar de. temperatura (oC). la reacción (kJ/kg). H2Olíquida↔ H2Ovapor. 0 a 100. +2446. (1). CO+1/2O2↔CO2. 620 a 670. -10100. (2). C+O2↔CO2. 450 a 750. -32786. (3). C+1/2O2↔CO. 450 a 750. -9200. (4). S+O2↔SO2. 400 a 500. -9276. (5). H+1/2O2↔ H2O. 530 a 580. -121000. (6). CaCO3↔ CaO+CO2. 550 a 960. +1780. (7). MgCO3↔ MgO+CO2. 550 a 960. +1395. (8). CaO+Al2O3↔CA. 800 a 1100. -100. (9). 2CAO+Fe2O3↔C2F. 800 a 1100. -114. (10). 2CAO+SiO2↔βC2S. 600 a 1300. -732. (11). CA+C2F+CaO↔C4AF. 1200 a 1280. +25. (12). CA+2CaO↔C3A. 1200 a 1280. +25. (13). βC2S+ CaO↔C3S. 1200 a 1280. +59. (14). clinker sólido ↔ clinker líquido. >1280. +600. (15). El consumo teórico de energía (reacciones químicas endotérmicas) para la elaboración de clinker de proceso seco puede calcularse en función del porcentaje de caliza empleada o del estándar de cal (StC): St C =. 100(CaO + 0.75MgO) kJ ; 2.8SiO 2 + 1.18 AL2 O3 + 0.65 Fe 2 O3 kg. Pudiendo aumentar desde los 1570 a los 1800 kJ/kg a medida que el StC aumenta del 80 al 100%..

(20) …16. El consumo energético va a depender de las materias primas empleadas, sobre todo de la tecnología y del sistema de alimentación empleados, ya que los sistemas de alimentación por vía húmeda necesitarán evaporar el agua introducida con las materias primas. En estas circunstancias el consumo de combustibles en el horno de clinker de proceso seco se sitúa entre2.900 a 3.200 (MJ/t de clinker), mientras que un proceso por vía húmeda necesita de 5.000 a 6.000 (MJ/t de clinker).Para producir una tonelada de cemento típico vía seca se requiere aproximadamente 1.5 t de materia prima [25], un consumo 3.300-4.300 MJ de energía térmica [26] y 100-120 kWh de energía eléctrica [27,28,29], emitiendo a la atmósfera 0,9 t de CO2 [30], o bien entre 100 y 185 kg de carbón o de coque por tonelada de cemento, teóricamente, producir una tonelada de clinker requiere 1.6 GJ de calor [31], el consumo mínimo real es de 3.15 MJ/kg, ya que existen pérdidas inevitables: 0.63 MJ/kg por los gases y 0.42 MJ/kg por el clinker, debido a un enfriamiento insuficiente. Por otro lado, existen pérdidas térmicas de 0.34MJ/kg al no estar el horno perfectamente aislado [32] sin embargo, la cantidad de energía suministrada al proceso varía dependiendo de la ruta seguida, es decir, vía seca 1 o vía húmeda 2. En la práctica una operación en seco se consume en promedio entre 3GJ/ton y 5 GJ/ton, mientras que en una operación vía húmeda, el consumo puede llegar a los 7 GJ/ton. La energía térmica consumida en el proceso de producción depende de la vía de fabricación, del grado de humedad y de otras propiedades de las materias primas empleadas. El consumo eléctrico específico, que incluye la potencia necesaria para moler el cemento, es 110 kWh/t de media (396 kJ/kg de energía eléctrica que equivaldrían a 990 kJ/kg aportados por el combustible) La industria del cemento [23] ha sido identificada como una de las más importantes consumidoras de combustibles basados en el carbón como fuente de energía calorífica y por tanto, como una de las que mayor cantidad de CO2 libera. Sin embargo, la industria cementera también se identifica como una industria en la que la tecnología permite grandes ahorros a este respecto. Por otro lado, la descarbonatación de la caliza constituye el primer paso del proceso tradicional de producción del cemento y también libera CO2 a la atmósfera.. 1. En Europa y los Estados Unidos, cerca del 90% y el 80% respectivamente de la producción de cemento se obtiene de hornos que fabrican por vía seca. Se considera que la mejor técnica para la producción de clinker es el horno de proceso seco con precalentamiento por etapas y pre calcinación. El balance térmico asociado a esta técnica para una fábrica de nueva construcción es de 2900-3200 MJ por tonelada de clinker. 2 Este proceso utiliza aproximadamente un 40% más de energía que el proceso seco. Para un análisis más detallado puede consultarse [92], entre otros..

(21) …17. Solo para satisfacer la demanda térmica del proceso, se liberan al ambiente unos 0,86 kg de CO2 por cada kg de cemento. Si se añade además el consumo de energía eléctrica, la producción de CO2 aumenta casi hasta 0,98 kg por kilo de cemento. Tradicionalmente esta energía se ha suministrado mediante distintos combustibles fósiles. En la actualidad, en orden decreciente de importancia, hay tres tipos diferentes de combustible usados en los hornos de cemento: carbón pulverizado y coque de petróleo; fuel oíl (pesado) y gas natural. Cada vez es una práctica más común utilizar determinados residuos como sustitutos de parte de los combustibles fósiles tradicionales, permitiendo reducir el costo de fabricación del cemento. La justificación del uso de combustibles alternativos en el sector cementero se basa en las condiciones termodinámicas que se presentan en los hornos de fabricación del clinker y en las demás características del proceso de producción del cemento. Se pueden agrupar los residuos autorizados para utilizarse como combustibles alternativos en las siguientes categorías en función de que su composición sea totalmente biomasa, parcialmente biomasa o tenga un origen fósil [16] (se recuerda que la utilización de combustibles con biomasa se considera neutra en cuanto a sus emisiones de CO2). a). Residuos de biomasa. •. Biomasa forestal y restos vegetales procesados por la industria alimentaria. •. Residuos de industrias cárnicas que incluyen harinas cárnicas y grasas. animales. •. Lodos de depuradora de aguas residuales urbanas. •. Otros residuos de biomasa que incluyen residuos de envases y residuos de las. industrias del cuero, de la piel y textil. b). Residuos con contenido parcial de biomasa. •. Lodos de papelera que proceden del procesado de la pasta de papel y contienen. celulosa y plástico. •. Combustible preparado a partir del rechazo de plantas de tratamiento de. residuos municipales (CDR). •. Neumáticos fuera de uso (NFU).. •. Residuos de fragmentación de vehículos fuera de uso (VFU)..

(22) …18. c). Residuos de origen fósil •. Residuos de hidrocarburos.. •. Aceites minerales usados.. •. Plásticos.. •. Disolventes, pinturas, barnices y otros residuos líquidos.. •. Otros.. El uso de combustibles alternativos ahorra recursos naturales. Varios tipos de combustibles alternativos se pueden mezclar en diversas proporciones en el horno. Las temperaturas extremadamente altas (superiores a las temperaturas de llama 2000 oC) y aire suficiente para la combustión asegura una combustión completa, de modo que en el humo visible no se producen emisiones. El uso de combustibles alternativos se logra sin comprometer las normas con respecto a la calidad del producto, las normas ambientales o problemas de salud y seguridad Para que un combustible alternativo sea considerado un recurso de interés ha de presentar una serie de ventajas y garantías de seguridad y, además, ha de cumplir con las características propias de un buen combustible: suficiente poder calorífico y ausencia de interferencias en las características del producto y de emisiones contaminantes. En materia de costos, es evidente que el empleo de un combustible alternativo supone una disminución del costo total de producción al convertirse en un recurso necesario. Los costos energéticos de combustible y energía eléctrica representan entre 30% y un 40% de los costos de fabricación, por lo que la reducción del consumo de energía y la diversificación de las fuentes energéticas se convierte en un asunto de máxima importancia para la competitividad de las empresas cementeras. Los esfuerzos para reducir el consumo de combustible se han centrado principalmente en dos líneas: la modernización de las instalaciones utilizando hornos de menor tamaño y eficiencia, y la modificación del combustible. La combustión en el horno. Mediante un algoritmo como el utilizado por Hooker y Ayala Sánchez [33,34] se puede demostrar que es viable la sustitución del combustible (CPC) por biomasa del marabú en un horno largo de cemento de proceso húmedo..

(23) …19. Para lograr lo anteriormente planteado, utilizamos el algoritmo de cálculo planteado en la literatura por Borroto Nordelo [35] en su libro combustión y generación de vapor: Para determinar el poder calorífico Inferior del combustible [36] si ya se conoce su valor superior utilizaremos la Expresión.  H   W  kJ (1) Qti = Qts − 2500 9 * t  +  t ; 100 100 kg      . Tomando en consideración que en la oxidación de una unidad de masa de hidrógeno se obtienen nueve unidades de masa de agua, y considerando un calor latente aproximado del agua a presión atmosférica y temperaturas bajas de 2500 kJ/kg. El Valor Calórico Inferior del (Crudo Cubano y marabú), (Anexo 9, TablaNo20.). Se puede realizar analíticamente en función de la composición elemental, para lo cual existen muchas fórmulas de diferentes autores para determinar el poder calorífico de distintos tipos de combustibles. Un ejemplo de ellas es la fórmula de Mendeléyev, aplicable para combustibles sólidos y líquidos, esta expresión es citada por Borroto Nordelo de la forma siguiente; Qti = 339 * C t + 1030 * H t − 109 * (Ot − S t ) − 25 *Wt ;. kJ (2) kg. La fórmula de Mendeléyev, citada por Pankratov (37) donde el exponente a=t por espresar lo mismo.. (. ). a − 25 *W a t ; Qina = 338 * C a + 1025 * H a − 108.5 * O a − S vol. kJ kg. Dónde: Ct, Ht, Ot, St y Wt representan los porcentajes de Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Azufre y Humedad, respectivamente, en la masa de trabajo del combustible (ver Anexo 9, Tabla No20). El volumen teórico de oxígeno necesario para la combustión completa de 1 kg de combustible sólido o líquido en condiciones normales se determinó por la ecuación: VO 2 = 1.866 *. 3  S   C H O  m N + 5.59 * + 0.7 *  −  ; 100 100  100   100 *1.429  kg. (3). Conociendo que el aire atmosférico contiene 21% en volumen de oxígeno su puede calcular la cantidad teórica de aire necesaria para la combustión completa de 1 kg de combustible de una composición determinada. Vao =. VO 2 0.21.

(24) …20. A partir de esta expresión se obtiene la ecuación para determinar la cantidad de aire teórico para la combustión completa de un combustible. (Anexo 12, TablaNo23.). Vao = 0.0889 * (C + 0.375 * S ) + 0.265 * H − 0.0333 * O;. m3 N kg. (4). Donde C, H, S, O son los componentes del combustible sólido expresado en %. Volumen de aire real necesario para quemar 1 kg de combustible (m3N/kg): Vairereal = Vao * α h Expresión. que se utiliza, cuando α >1(5), [37]. Donde αh es el coeficiente de exceso de aire en el hogar. Recomendando: αh = 1.15-1.4 Para combustibles sólidos αh = 1.05-1.15 Para combustibles líquidos según la siguiente bibliografía [35]. Volumen de los productos de la combustión. Combustibles sólidos y líquidos El volumen de los gases de combustión [39] se puede dividir para su cálculo en volumen de gases secos y volumen de vapor de agua (por kg de combustible). (Anexo 12, TablaNo23). Vg = Vgs + VH 2O;. m3 N kg. Vgs = V 0 gs + (α − 1) * V 0 a;. m3 N kg m3 N kg. ( 6). m3 N kg. ( 7). Vgs = VRO2 + V 0 N 2 + (α − 1) * V 0 a;. Donde: VRO2 = VCO2 + VSO2 ;. m3 N kg. VRO2 = 0.01866 * (C + 0.375 * S ); V 0 N 2 = 0.79 * V 0 a + 0.008 * N ;. m3 N kg. ( 8). VH 2O = V 0 H 2O + 0.00161 * da * (α − 1) * V 0 a;. m3 N kg. ( 9). V 0 H 2O = 0.111 * H + 0.0124 * W + 0.00161 * da * V 0 a + 1.24 * Gat ;. m3 N kg. Vg = VRO2 + V 0 N 2 + V 9 H 2O + (α − 1) * V 0 a + 0.00161 * da * (α − 1) * V 0 a;. m3 N kg. (10). Donde: da- Humedad absoluta del aire, g/kg. En Cuba la humedad absoluta del aire es 15.6g/kg..

(25) …21. Gat- Flujo de vapor de atomización (en caso que proceda), kg vapor/kg comb. Nota: Los volúmenes de gases con superíndice “°” se refieren a volúmenes para una combustión estequiométrica. Los óxidos de nitrógeno son los principales componentes de los gases emitidos y se forman como consecuencia inevitable de las altas temperaturas de combustión (alrededor de 1.500 ºC de temperatura de la llama). El origen se debe a la oxidación del nitrógeno del aire (se produce principalmente en la zona de clinkerización del horno, dependiendo de la temperatura alcanzada y del contenido de oxígeno) y del presente en el combustible [40]. Entalpía del aire y de los productos de la combustión. La entalpía puede definirse como la cantidad de calor contenida en los mismos. El cálculo de esta magnitud resulta necesario para determinar el calor absorbido en las superficies de calentamiento y su relación con el contenido de calor en los gases del horno, además para evaluar comparativamente las curvas resultantes. Según las exigencias de los cálculos, las entalpías se calcularon para valores de (α cpc =1) y (α cpc. =1,2) para el crudo cubano y αm = 1, 1.2, 1.4, para la biomasa, definidas entre los valores de. (800 y 2000) ºC, con el objetivo de confeccionar el diagrama (I comb VS T) (ver Gráficos No 2 y 3). Entalpías de aire. (Ver resultados en Anexo 12, Tabla No 23). kJ kJ (11) ( 3 ) I 0 a = V 0 a * Ca * Ta; kg m N. Ia = α * V 0 a * Ca * Ta;. kJ kJ ( ) (12) kg m3 N. Donde: V°a - Volumen de aire teórico por unidad de masa del combustible, m3N/kg Ta - Temperatura del aire, oC. Ca - Calor específico a presión constante del aire a temperatura Ta, kJ/m3NoC Entalpía de los productos de combustión (41). Ig = I 0 g + I 0 a * (α − 1);. kJ kJ ( ) (13) kg m3 N. Donde: I°g - Entalpía de la cantidad teórica de gases, kJ/kg (kJ/m3N) I 0 g = VRO2 * CRO2 * Tg + VN 2 * CN 2 * Tg + VH 2O * CH 2O * Tg ;. kJ kJ (14) ( ) kg m3 N.

(26) …22 3. I°a- Entalpias decantidadteórica de aire a temperatura de salida, kJ/kg (kJ/m N) Análisis para llevar a cabo la determinación del flujo de biomasa necesaria (combustible equivalente) para desarrollar la misma energía calorífica del crudo cubano (ver resultados en Anexo 12, Tabla No23). En el caso del combustible CPC. t 1000 kg ; h 3600 s. BCPC; flujo instantáneo de combustible CPC = Ccpc * *. CCPC = flujo horario de CPC en t/h = Consumo especifico de CPC * Producción de clinker por hora C CPC =. 200kg / t 500t / dias t * ; 1000t / kg 24h / dias h. BCPC = Ccpc *. = 4,17(15). 1000 kg ; = 1,16 kg/s (16) 3600 s. El valor del consumo específico del combustible CPC por cada tonelada de clinker es de 200 kg/t y fue obtenido de los datos aportados por la fábrica de cemento. En el caso del combustible biomasa de marabú se calculará el flujo instantáneo por el siguiente algoritmo. Bbiom =. VCI CPC * Bcpc kg ; VCI m s. = 1.95 kg/s (17). VCICPC= Valor Calóricos Bajo del CPC en kJ/kg = 38448.97kJ/kg VCIm = Valor Calóricos Bajo del marabú en kJ/kg = 22827.75kJ/kg (42) BCPC; flujo instantáneo de combustible CPC kg/s Bbiom; flujo instantáneo de combustible de biomasa del marabú. = 1.95kg/s Los valores Calóricos Bajo del CPC (VCIcpc) reportados en la literatura, fue obtenido del análisis realizado en su tesis por León Báez [43] (ver Anexo 10,Tabla No21) al igual que el valor Calóricos Bajo del Marabú (VCIm) que fue el resultado obtenido en el calorímetro por Abreu Naranjo,para la Biomasa torrefactada, en su tesis [42]. • Determinación de los gases de escape en la cocción del cemento El dióxido de carbono proviene una parte de la calcinación de la roca caliza y la otra de la combustión de los combustibles, aproximadamente entre el 50 y el 60 % de las emisiones de CO2 en la producción de cemento se genera durante la descomposición de la piedra caliza y.

(27) …23. otros materiales calcáreos para producir el clinker y entre el 30 y el 40 % son generadas por la quema de combustibles fósiles [44]. En la cocción del cemento se agregan a los gases de la combustión del combustible el anhídrido carbónico y el vapor de agua procedentes del crudo. Supongamos que: 1 kgde crudo contiene. Y. kgde CaCO3. a 1 kgde crudo se le agregan. X. kgde Agua. 1 kgde clinker requiere. Z. kgde Crudo. y 1 kgde clinker requiere. K. kgde carbón. En consecuencia, a los gases de escape del horno se le deben agregar, por cada kg de clinker:. Z *Y * 0.44. kg de anhidro carbónico del crudo. Z*X. kg de Agua.. • Determinación de la expulsión del anhidro carbónico de la piedra. La caliza y la arcilla son las materias básicas para el cemento. Se encuentran en estado natural en las más diversas mezclas que según Kuhl y Knote se distinguen según la Tabla No 5. Tabla No 5 Tipos de calizas reportadas en le literatura [45] % de CaCo3. Tipo de calizas. 98-100. Calizas de alto porcentaje de cal. 90-98. Calizas margosas. 75-90. Margas calizas. 40-75. Margas. 10-40. Margas arsillosas. 2-10. Arcillas margosas. 0-2. Arcillas. La química básica del proceso de manufactura de cemento comienza con la descomposición del carbonato de calcio (CaCO3) sobre 900 ºC para dar óxido de calcio (CaO, cal) y liberar dióxido de carbono (CO2), proceso conocido como calcinación [46]. Ca C O3 = Ca O + C O2 (40+12+48)=(40+16)+(12+32) 100 partes CaCO3=56 partes CaO+44 PartesCO2.

(28) …24. La cantidad de crudo seco necesaria para la producción del clinker de cemento Portland se calcula como sigue. 100 − 0 0 C a CO3  (18)  0.44 * 0 0 C a CO3 + 0.07 * A =1−   100 100  . B= C=. 1 (19) A 0. 0. C a CO3 * 56 (20) siendo: A * 100. A=kg clinker/kg crudo B=kg crudo/kg clinker C= % CaCO3 en el clinker. Por lo que si conocemos qué % CaCO3= crudo de título 76 correspondiente a las Margas calizas entonces el CO2 del carbónico del crudo se calcula como: 0.44*B*% CaCO3kg de CO2 de 1 kgclinker • Determinación de la evaporación del Agua procedente del crudo. Si conocemos que el agua que se le agrega al crudo es de 0.56 kg agua/kg crudo (Dato ofrecido por la fábrica) y que los kg crudo/ kg Clinker se calculan como B podemos calcular la evaporación del agua como:. 0.56 * B kg agua de 1 kg clinker Conociendo que él % CaCO3= 76 (Según datos de la fábrica) y calculándose B como [45]: B=. 1 por lo que A. B=. 1 100 − 76   0.44 * 76 1−  + 0.07 * 100 100  . Determinación del volumen real de aire y Gases para la combustión de ambos combustibles (ver resultados Anexo 12, TablaNo 23) Vareal = B * V 0 a;. m3 N s. Vg real = B *V 0 g ;. (21). m3 N s. (22). Donde: B = Flujo de combustible en kg/s. Voa = Volumen de aire en m3N/kg Vog = Volumen de gas en m3N/kg.

(29) …25. • Determinación de la temperatura máxima en el horno de ambos combustibles(ver resultados en Anexo 12,Tabla No23) El cálculo se llevó a efecto utilizando la ecuación que propone en la literatura el autor Duda en su libro de Manual Tecnológico del Cemento [47]. TMaxcomb =. VCI comb ;o C (23) g * C p 0− t max. [V. ]. Donde; VCIcomb; valor calórico del combustible. kcal/kg. De los cuales. VCICPC= Valor calórico Inferior para el crudo cubano = 9182.94 kcal/kg=38448.97 kJ/kg (43) Ver Anexo 10, Tabla No 21. VCIm= Valor calórico Inferior para la biomasa torrefactada = 5452.05 kcal/kg=22827.75kJ/kg (42) Vog; Volumen teórico de gases producto de la combustión. m3N/ kg comb Cpo-tmax; Calor específico medio volumétrico de los productos de la combustión a presión constante en el intervalo de temperatura de 0 a tmax; recomendado 0.40 kcal/m3N 0C [47]. K = 0C+ 273 1.1.2. Principios de la combustión de la biomasa. La combustión de la biomasa implica fenómenos dinámicos complejos donde se transfieren simultáneamente masa y calor produciéndose diversas reacciones químicas. A diferencia de los procesos de conversión bioquímicos y termoquímicos similares, la combustión reduce esencialmente toda la biomasa en productos simples. La composición variable de los combustibles biomásicos y el contenido variado de humedad y cenizas puede causar problemas de combustión y encendido. Hay numerosas maneras de abordar estos problemas, como son la mezcla de tipos de biomasa diferentes, que podrían mejorar la estabilidad de la llama, así como disminuir los efectos de la corrosión. Cuando la biomasa es sometida a altas temperaturas, se producen cambios en su estructura química. y. sus. componentes. principales. se. degradan.. Estos. cambios. dependen. fundamentalmente de la forma de material, así como de los parámetros del proceso, como la velocidad de calentamiento. Al calentarse progresivamente a temperaturas elevadas una biomasa como la madera, se producen diversos productos de degradación. La pérdida de agua y de componentes volátiles tiene lugar a temperaturas por debajo de 140 ° C. Si la temperatura.

(30) …26. se eleva por encima de 140 ° C, ya se puede empezar a detectar la producción de CO2 y CO [48]. Las hemicelulosas son conocidas como el componente de biomasa, más térmicamente inestables. Bourgeois et al en 1989 [49] indicó que la degradación de las hemicelulosas aumenta con la temperatura y el tiempo de residencia de calentamiento y ocurre entre 100 y 200º C. La degradación de la celulosa, por otro lado, se produce a temperaturas considerablemente más altas, debido a la su estructura cristalina. La celulosa se degrada en un rango de temperatura de entre 300-340º C [50]. Entre los principales componentes de la pared celular, la lignina es más térmicamente estable, aunque la degradación de la lignina se extiende sobre un rango de temperatura que empieza a partir de 180ºC [48].En general, toda la materia volátil es lanzada en temperaturas superiores a los 450-500ºC. El material restante es carbón vegetal [51]. Boylesen 1984 [52] explica cómo el método más sencillo de extracción de energía útil de la biomasa seca es quemarla utilizando aire como el oxidante. La química de la oxidación completa de materiales que contengan principalmente C, O y H se indica la forma siguiente: C x H y O z biomasa + x +. y y z − O 2 → xCO 2 + H 2 O 4 2 2. Donde x, y y z representan la composición elemental media de la biomasa. Si la combustión es incompleta debido a la insuficientes O2 entonces se liberan en los gases de combustión tanto C, CO, hidrocarburos como otros gases y se reduce el calor de la reacción. El rendimiento termodinámico del calor obtenido de las reacciones de combustión, no se reduce por la presencia de humedad en la biomasa. Sin embargo la eficiencia si se ve reducida debido a la exigencia añadida de calentamiento del agua contenida al evaporarse a temperaturas de combustión, reduciendo además la temperatura de la llama, y la velocidad de combustión. Un contenido de humedad de más 30% impide la quema directa de la biomasa y es necesario entonces proceder a un secado previo, o alternativamente puede agregarse un combustible complementario. Boyles en 1984 manifiesta que la combustión directa puede ser uno de los métodos más eficientes de utilizar la energía potencial de la biomasa, y lograr una eficiencia térmica de hasta 85%. Según Jenkins et al 1998 [53], la combustión de los biocombustibles es un fenómeno complejo que implica simultáneamente transferencia de calor junto con reacción química y flujo de.

(31) …27. masas. Para predecir el comportamiento de la combustión se requiere conocer tanto las propiedades del combustible como la manera en que estas propiedades influyen en el resultado del proceso de combustión. También aporta una reacción global para la combustión de un combustible de biomasa y aire de la siguiente forma, donde el primer compuesto reactante es un combustible de biomasa: C x1 H x 2 O x 3 N x 4 S x 5 Cl x 6 Si x 7 K x 8 Ca x 9 Mg x10 Na x11 Px12 Fe x13 Al x14 Ti x15 + n1 H 2 O + n 2 (1 + e )(O 2 + 3.76 N 2 ) = n 3 CO 2 + n 4 H 2 O + n 5 O 2 + n 6 N 2 + n 7 CO + n8 CH 4 + n 9 NO + n10 NO 2 + n11 SO 2 + n12 HCl + n13 KCl + n14 K 2 SO 4 + n15 C + ..... La fórmula empírica para el combustible es incompleta ya que hay en ella 15 elementos, algunos de los cuales son importantes para la cuestión de la combustión de biomasa, por ejemplo los metales pesados, que tienen una influencia importante sobre la eliminación de cenizas. El segundo término de los reactantes expresa la humedad en el combustible, que varía dentro de cierto rango, pero es importante tener en cuenta que si hay demasiada humedad, el combustible no reaccionará espontáneamente. El tercer término es una simplificación y representa el aire por la simple mezcla binaria O y N en la relación de volumen de 21% a 79%. Los sulfuros y el cloro son componentes importantes de las emisiones contaminantes, pero también son los responsables de las reacciones que producen incrustaciones en la gasificación. En pastos y pajas, la sílice es el tercer constituyente importante: hasta 10 a 15% de la materia seca de biomasa contienen más oxígeno y menos carbono que los combustibles fósiles, lo que conduce a un menor valor calórico [54]. Como se ha visto en el punto anterior, la combustión ideal es aquella que produce la oxidación completa de la parte orgánica sólida del combustible en gases CO2 y H2O. El proceso de conversión se realiza en tres pasos [38]. 1. secado: vaporización de agua 2. Pirolisis/gasificación: degradación térmica en la ausencia o presencia de oxígeno suministrado externamente. 3. Oxidación del carbón - oxidación final de los gases de carbón y combustión.

(32) …28. Figura No 2 El proceso de la combustión de la biomasa [38]. La relación entre la cantidad de aire añadido y el aire necesario para la combustión completa es el parámetro de control principal del proceso de combustión y se conoce como factor lambda (λ, exceso de aire). Cuando λ es menor que 1, se produce una oxidación incompleta y no todo el combustible se convierte en energía térmica. O bien cuando λ >> 1, se agrega demasiado aire que enfría el proceso y conduce a la combustión incompleta y pérdidas térmicas Idealmente, λ debe ser igual a 1 para la combustión óptima. Realmente esto es difícil debido a las limitaciones del sistema de mezcla. Por lo tanto, a fin de lograr una combustión completa, un λ entre 1,1 1,8 en grandes instalaciones y un λ 1.5-2.0 para pequeñas instalaciones es lo aconsejable, dependiendo por supuesto de la tecnología del sistema de combustión Al separar las etapas de combustión y aumentando así el tiempo de residencia de las reacciones, es posible disminuir el λ total. Este tipo de separación puede optimizar el control de la combustión. Una combustión eficiente con bajas cantidades de productos no deseados.

(33) …29. depende de la optimización de cada paso de la combustión dependiendo de la tecnología aplicada y el tipo de biocombustibles [38]. 1.1.3. La biomasa como energía a nivel internacional Según la agencia Internacional de Energía, en el año 2009 la oferta total de energía primaria en el mundo fue de 12.169 Millones de toneladas equivalentes de petróleo (Mtep), de los cuales 1.589 Mtep, es decir el 13,1 % corresponde a energías renovables. El 75,9 % de la oferta total procedente de fuentes renovables, es decir 1.206 Mtep, corresponde a bioenergía, de acuerdo a los siguientes porcentajes: biomasa sólida 92,5 %, biocarburantes 4,5 %, biogás 1,8 % y residuos municipales renovables 1,2 %. Según los datos más recientes de biomasa sólida del EurOserv’ER, la producción de energía primaria a partir de biomasa sólida en el conjunto de la Unión Europea (UE) en el año 2010 fue de 80,1 Mtep (un 9,1 % más que en 2009), de los cuales un 75 %, correspondieron a aplicaciones térmicas. Las redes de calefacción centralizada (districtheating) consumieron en 2010 el 10,7 % de la energía obtenida a partir de biomasa sólida dedicada a usos térmicos en la UE, estando muy desarrolladas en Suecia, Finlandia, Dinamarca, Austria, Alemania y Polonia. La producción de energía primaria a partir de biogás en la UE en el año 2010 fue de 10,9 Mtep (un 31,3 % más que en 2009), de los cuales sólo un 13,8 % fueron aplicaciones térmicas (55). La producción de energía primaria a partir de Fracción Orgánica de Residuos Sólidos Urbanos (FORSU) en la UE en el año 2010 fue de 8 Mtep (un 5,4 %más que en 2009), de los cuales un 25 % fueron aplicaciones térmicas y el resto aplicaciones eléctricas. La biomasa sólida es la mayor fuente de energía renovable en el mundo, con mucha diferencia, debido a la existencia de la biomasa tradicional en los países en vías de desarrollo supone el 9,2 % de la oferta total de energía primaria en el mundo, el 70,2 % de la oferta total de energía renovable. De hecho, el 86 % de la biomasa sólida es producida y consumida en países que no pertenecen a la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE). La biomasa tradicional consiste en leña que se obtiene sin mediar transacción comercial, se utiliza fundamentalmente para cocinar y proporcionar calor en los hogares, tiene unos niveles bajos de eficiencia y genera problemas de salud al emitir gases y partículas contaminantes a causa de la combustión incompleta de la biomasa. La biomasa moderna se caracteriza por las transacciones en el mercado, funciona con mejores niveles de eficiencia, no.

(34) …30. tiene por qué dar lugar a problemas de salud y es utilizada para generar energía eléctrica, para producir calor y refrigeración en los hogares y en la industria y para producir biocarburantes para el transporte.. Grafico 1.Biomasa sólida para energía primaria en el mundo. Elaboración propia. 1.1.4. La biomasa como energía en Cuba. La biomasa es hoy el principal recurso energético renovable que más se aprovecha en Cuba. Constituye algo más del 99 % de la energía renovable total, y continuará dominando en el futuro, debido a las grandes cantidades de residuos de industrias como la del azúcar, la madera, el café, el arroz y otras fuentes como las leñas, el biogás y las plantaciones de oleaginosas no comestibles [56]. La Oficina Nacional de Estadísticas refleja en el Anuario Estadístico que las principales fuentes de biomasa para la producción de energía se encuentran concentradas en el bagazo de caña (incluyendo la paja de caña) y las leñas; representando estas alrededor de 1 249 700 tep (99,6 % del total) [56]. Estas cifras se refieren a la oferta de estos recursos de biomasa pero dista de ser un estimado del potencial existente. Aunque no se recoge en el Anuario Estadístico de Cuba la principal fuente de biomasa natural para energía en Cuba es en primer lugar las áreas cubiertas de marabú (arbusto invasor que cubre rápidamente aéreas no cultivadas), le siguen los residuos de la industria azucarera (bagazo, cogollos y paja) y los bosques. Las áreas cubiertas por marabú ascendían a 1.649 millones de hectáreas de las cuales 740,3 mil se reportan como infestación intensa o pesada y 554,6 mil con infestación media, con una potencialidad de 18.67 millones de toneladas de biomasa..

(35) …31. Los residuos de la industria azucarera (bagazo, cogollos y paja) significan un 40 % del total de caña cosechada (25 % de bagazo y 15% de cogollos y paja) pero son utilizados totalmente por la industria en la cogeneración de electricidad y vapor para autoabastecerse y vender cantidades discretas de electricidad (un 25% de la producida) al Sistema Electro energético Nacional (S.E.N.) En Cuba el mayor exponente es la caña energética. Esto hasta la fecha no ha sido comprobado, pues la única demostración de ello han sido las pruebas realizadas en la UEB Central Azucarero “Melania Hernández” de la provincia Sancti Spíritus Desde inicio de los años 90, en el país se realiza como una de las actividades de la silvicultura cubana, el establecimiento de plantaciones energéticas. Entre el 2000 y el 2009 según datos de la ONE (Oficina Nacional de Estadísticas) asciende a 38,9 miles de hectáreas. El país reporta una cubierta boscosa del 25,7 %, que abarca un área de 2 825,9 miles de hectáreas distribuidas en las tres regiones: Occidente, Oriente y Centro, por orden de importancia. La capacidad de extracción sostenible de leña de los bosques ascendía en el 2010 a 274.58 t (según el resumen del Censo realizado por el Grupo de Montaña del MINAG el 24 de Marzo del 2010) Por otra parte la biomasa residual proveniente de actividades agrícolas, ganaderas y forestales, subproductos agroalimentarios y madereros, así como los residuos sólidos urbanos y biodegradables en cuba son los residuos como la paja y cáscara de arroz, las cáscaras de coco, café y cacao y las excretas de animales, etc. La disponibilidad de la fuente apropiada, aspectos económicos relacionados con la cosecha, almacenamiento y transportación, y las opciones tecnológicas para convertir el combustible son elementos fundamentales para el éxito de un proyecto vinculado con el uso de la biomasa. Las suministro razones principales para el fracaso de proyectos energéticos de biomasa son los cambios en el de combustible o la demanda y cambios en la calidad de combustible. 1.1.5. Caracterización de la biomasa. La biomasa en términos generales puede ser definida como un conjunto de materia orgánica renovable que ha tenido su origen inmediato como consecuencia de un proceso biológico. En el contexto del uso energético de la biomasa con frecuencia se refiere a materiales de origen vegetal, sin embargo puede igualmente aplicarse a materiales tanto de origen animal como vegetal. Se pueden considerar tres grandes grupos de biomasa respecto a la fuente:.