UNIVERSIDAD AUTONOMA M€TROPOllTANA " K Z T A P A L A P A " -

'CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA

/Awílisis Energético y Exergético de un Hwno Rototdtorio e a Za Industria del Cemento y

Propuesta del Aprovechamiento de

Combustiblef Alternos

SEMINAKIO DIF4: PROYECTOS Que para obtener el Título de

" I N G E N I E R O E N E N E R G I A P r 0 8 e n f a

Fabián Dominguez Campos

Asesores: ING. JORGE FRANCO ZESATI FIS. ALEJANDRO VAZQUEZ RODRIGUEZ

A mi padre Juan Domínguez Madrid y a mi madre Clara Campos de Domínguez, por el amor, la confianza y el apoyo que siempre me han dado.

A la familia Domínguez Ochoa. por la confianza, el apoyo y la guía que me han brindado.

A mis hermanos y en especial a mi amiga Olivia, por la fe, la esperanza y el apoyo que de ellos he recibido.

El agradecimiento a todos mis maestros por su enseñanza y en especial al Ing. Jorge Franco Zesatí y al Fís. Alejandro Vhzquez Rodriguez, por su asesoramiento y empeño en la elaboración de este Seminario de Proyectos.

INDICE GENERAL

CAPITULO

I Marco de Referencia

1.1 Introducción

1.2 Objetivos

1.3 Importancia del Uso Eficiente de la Energía en

Hornos Rotatorios

1.4 El Cemento y s u Procescl de Fabricación

(Descripción General)

II Los Combustibles

11.1 Clasificaci6n

11.2 Combustibles Líquidos

11.2.1 Propiedades Físico-Químicas

11.2.2 El Combustóleo

11.2.3 Los Combustibles Derivudos de Residuos

(Combustibles Alternos)

11.2.4 Clasificación

111 Análisis Energético

1

10

22

111.1 Fundamentos del Análisis Energético

111.2 Balance de Energia

111.3 Cálculo de los Poderes Caloríficos Superior e Inferior

111.4 Cálculo de la Temperatllra de Flama Adiabática

sarmnaio de PrOyeclOs

AM

IV Análisis Exergético 67

IV.1 Fundamentos del Andlisis Exergético

IV.2 Balance de Exergía

V Los Hornos Rotatorios Utilizados en la Industria del

Cemento

V. 1 Desarrollo Histórico de los Hornos Rotatorios

V.2 Visión Esquemática de 113s Distintos Tipos de Hornos

y Algunos Criterios paru la Selección de Hornos

V.3 Hornos Precalentadores de Cuatro Etapas

V.4 Hornos Largos de Vía Seca y Húmeda

V.5 Dimensiones del Horno

V.6 Diseño Mecánico de los Hornos Rotatorios

V.7 Proveedores de Hornos

V.8 Enfriadores

V.8.1 Generalidades

V.8.2 Enfriadores de parrilla

VI Propuesta del Aprovechamiento de

Combustibles Alternos

70

98

VI.1 Relación Combustóleo-Combustibles Derivados

de Residuos (Combustible Alterno) en el Proceso

de Combusti6n

V1.2 Cálculo de la RelacitSn Combustóleo - Combustibles Derivados de Residuos

VI1 Conclusiones 112

Semncrio de Proyeclos

APENDICES

A. 1 Poder Calorifico de los Combustibles Líquidos

A.2 Determinación del Poder Calorífico Inferior de '

Combustibles Líquidos a Volumen Constante

A.3 Determinación del Por Ciento de Sustitución para

el Combustible Alterno

A.4 Temperatura de Combustión Adiabática

A.5 Determinación de la Temperatura de Flama,

Pérdidas y Exceso de Combustóleo

8.1 Análisis de Combustóleo Pesado

8.2 Análisis de Combustibles Alternos

8.3 Rangos Utilizados para las Variables de los

Combustibles Líquidos, para el Programa de

Computadora en el Cálculo de los Poderes

Calorificos, en la Temperatura de Flama y en

Propuesta del Aprovechamiento de

Combustibles Alternos

8.4 Programa de Computadora para el Cálculo

de los Poderes Caloríficos Superior e Inferior y

de la Temperatura de Flama

6.5 Programa de Computadora para el Cálculo

de la Relación Combustóleo - Combustible Alterno

115

Bibliografía 137

Semnaio da Proyectos

W N Y I I * fN EMRGh

I . Marco de Referencia

1.1 Introducción

Los hornos rotatorios utilizados en I ~ J industria del cemento, son elementos

productivos, normalmente integrados enl un proceso más amplio, cuyo objetivo es

conseguir el producto final (producción del clinker) con propiedades especificadas

previamente.

Para conseguir los fines propuestos, en e1 interior del horno rotatorio la materia prima

sufre un conjunto de transformaciones, pero para alcanzarlas se requiere de cierta

cantidad de energía térmica que será proporcionada por el combustible, es por eso

que, la función del combustible'dependerá de dicha energía útil entregada. El poder

calorífico del combustible es la propiedad que se requiere para cuantificar la energía

necesaria, por lo tanto, su descripción y cálculo apoyará a mantener un sistema muy

estable.

Debido a la importancia de ahorro de capital y de la conservación de productos

derivados del petróleo, el horno rotatorio cementer0 utiliza un residuo líquido

producto de la refinación del petróleo, por lo que se presenta el análisis de

combustih para combustibles Ifquidos solamente: actualmente otros residuos pueden

proporcionar la misma energía térmica que proporciona el residuo derivado del

petróleo, que son los combustibles alternos o residuos industriales, pero el Único

problema presente en ellos es el contenido de humedad, que afecta a la temperatura

de flama y por lo tanto, a la producción de clinker.

Semnotio de Provector

AM

La combustión del combustible es importante para el funcionamiento del horno

rotatorio, pero la presencia de humeda'd en los combustibles afecta a la energía

térmica útil, debido a esto, la cuantificación de sustituir por combustible alterno se ve

frenado por la presencia de humedad, por lo que se ha planteado como objetivo

determinar la cantidad porcentual de sustitución de combustible alterno como

función de la humedad, en torno a la humedad total en el sistema, así como la

disminución de temperatura de flama y el exceso de combustóleo (sin humedad)

para corregir dicha disminución.

Asimismo. en toda planta cementera debe efectuarse periódicamente balances de

masa y energía completos y detallados, con medición directa y precisa de todos los

componentes que entran y salen del horno rotatorio, por lo que se desarrollar6 una

metodología para el análisis energético y exergético del horno rotatorio para

predecir y evitar anomalías en el proceso y aprovechar la energía térmica dentro

del horno rotatorio con mayor eficiencia.

Se adaptaron programas de computadora a fin de facilitar los cálculos y tomar

decisiones rápidas y efectivas, introduciendo solamente los datos requeridos para la

ejecución de los programas.

2

MAKO Iw R f i E R f K U INGENER~ EN ENEPG!A

1.2 Objetivos

I. Desarrollar la metodología y secuenc:ia de cálculo para el arlálisis energético y

exergético de un horno rotatorio (el sistema) e implementarla en un programa de

Computadora.

11. Adaptar programas de computadora para optimizar el proceso de combustión

para combustibles líquidos, para calcular el poder calorífico inferior, la temperatura

de flama adiabática del sistema, la disminución de la temperaturas de flama por

la presencia de humedad en el sistema y el por ciento de sustitución de

combustibles derivados de residuos (combustibles alternos).

S m m i o de Proyectos 3

M A K O Cf REfERENCU Y ~ G E N ~ E R ~ EN ENERGU

1.3 Importancia del Uso Eficiente de la Energía en Hornos Rotatorios

De acuerdo al Balance Nacional de Energía (último reporte creado por la Secretaría

de Energía), el proceso productivo de la industria cementera totalizó 26.7 petacalorías

en 1994, al crecer en 0.9 por ciento respecto a la cifra registrada el año anterior.

El energético de mayor participación fue el combustóleo con 77.2 por ciento (20.623

petacalorías) respecto al total consumido, en tanto que la electricidad representó el

12.4 por ciento (3.312 petacalorías), (correspondiendo el 10.4 por ciento (2.792

petacalorías) restante en gas natural. Considerando el total del sector industrial, el

consumo energético de la rama del cemento representa el 8.5 por ciento.

Debido a que la utilización de un recurso no renovable derivado del petróleo (como es

el combustóleo) tiene un consumo cada vez mayor, año con año, el hacer de este un

uso eficiente y el poderlo sustituir por otro combustible (capaz de generar la misma

energía térmica que requiere el proceso) es una nueva tarea que empieza a surgir

para ahorrar dicho combustible, de esta manera, el utilizar otros medios como son los

residuos industriales como combustible!; alternativos disminuirán dichos consumos,

optimizando el proceso de consumo y económico.

~~

Semnono de Proyector 4

MASCOIX EfiEMNCU WENYR!A EN ENE&!A

1.4 El Cemento y su Proceso de Fabricacih (Descripción General)

El cemento es uno de los más importantes materiales de construcción. Los llamados

aglomerantes son agentes que al reaccionar con el agua dan una pasta fácilmente

moldeable, que se endurece con el tiempo. Esta propiedad les confiere la capacidad

de ligar masas sólidas rígidas, para así formar estructuras.

El cemento se obtiene al calcinar materiales calcóreos y arcillosos, de una

composición determinada, a temperaturas de 1400-1800 grados centígrados. En este

calentamiento el material se sintetiza; esto es, forma gránulos compactos. Las

propiedades de cada uno de estos tipos depende de: la finura de la molienda de

materia primas; la relación de los componentes de la mezcla: temperatura y tiempo de

calcinación y la refrigeración del producto.

Los cementos puzolónicos se caracterizan por su componente de 2 a 4 partes de

puzolana y una parte de cal hidratada. til endurecimiento o fraguado del cemento se

debe al agua añadida y depende de su proporción. Esta agua propicia ciertos tipos de

reacciones químicas entre las componentes del cemento, que forman coloides

hidratados sumamente rígidos. Es de esta manera que se puede mezclar con arena y

grava para construir el concreto, una masa plástica muy manejable.

Actualmente existen dos métodos principales para la fabricación del cemento

Portland; el seco y el húmedo. En México se utiliza casi en su totalidad la vía seca ya

que es la más adecuada de a.cuerdo o las características físicas y químicas de las

materias primas con que se cuenta. El cemento Portland es del tipo hidráulico, lo que

quiere decir que fragua tanto al aire libre como bajo del agua. Sus materias primas

básicas se dan en estado natural, con diferentes grados de pureza.,

Seminano de Proyectos 5

MAKO [x REFCINCU INGENIERLA EN CNEfGh

Los elementos principales del cemento son la piedra caliza. y la arcilla y son

transportadas a máquinas trituradoras para reducirlas en trozos de tamatios más o

menos uniforme. Como paso siguiente, por medio de secadores se reduce el agua libre

contenida en las materias primas, y a través de etapas sucesivas, los materiales son

transladados a dosificadores que regulan la proporción de los mismos en función de su

composición, así como del tipo de cemento que se desea obtener.

Una vez dosificadas las materias primas, se llevan a la etapa de obtención de harina

cruda. Esta consiste en molinos de bolas (o rodillos) que operan, la mayor parte de las

veces, en circuito cerrado a fin de asegurar en un 100 por ciento la finura requerida y

obtener un mínimo del material con granulometría arriba de la necesaria. Es práctica

común efectuar dentro de los molinos un secado final de las materia primas, lo que se

logra al circular a través de ellos gases de combustión. Así, se evita con esto la

formación de grumos dentro del equipo de molienda. La harina cruda, proveniente de

la molienda, es enviada por medio de un sistema de transportación neumática a silos

donde se almacena en tanto se le conduce a los hornos de calcinación.

Los hornos de calcinación son grandes cilindros metálicos rotatorios, provistos en uno de sus extremos de quemadores especiales, para combustóleo pesado o bien para gas

natural. Están forrados interiormente de tabique refractario, a fin de resistir las elevadas

temperaturas necesarias para calcinar el material crudo y obtener el cemento

Portland.

Dichos hornos tienen una inclinación de aproximadamente 4 por ciento respecto al

horizontal. L a harina cruda -en algunos axes precalentada- se pasa por el extremo del

horno opuesto a donde se encuentra ubicado el quemador. En esta zona se pone en

contacto con gases de combustión, cuya temperatura es de del orden de 300 a 900 'C.

Semncuio de Proyectos 6

MAKODf RfFPRENCU WGENERU fN fNfRG!A

Conforme desciende la harina cruda encuentra temperaturas más elevadas, hasta

alcanzar unos 1450 "C cerca del extremo inferior, donde se descarga en un estado de

semifusión o pastoso que motiva la formación de aglomerados esféricos, con

dimensiones de uno a cinco centímetros de diámetro, designados con el nombre de

clinker.

El clinker sale del horno al rojo blanco aproximadamente a 1 100 "C. por lo que se

transfiere a un enfriador de acero rotatorRo o, en los tipos más modernos y eficientes, a

una parrilla móvil inclinada, donde se alimenta por gravedad en el extremo superior.

Aquí se efectúa el abatimiento del calor !sensible que posee el clinker, por medio de la

circulación de aire ambiente, hasta una temperatura de inferior a los 100 "C. El aire

que se utilizó para el enfriamiento se aprovecha como aire secundario en el horno de

calcinación, recuperándose de'esta forma gran parte del calor sensible retirado del

clinker.

AI salir del enfriador el clinker es llevado a patios de reposo, con el fin de reducir aún

más su temperatura. En esta etapa se procede a efectuar el análisis de su composición,

para posteriormente conducirlo por medlo de grúas viajeras a la sección de tolvas de

alimentación de los molinos de cemento.

Cabe hacer mención que, en esta etapa del proceso, hay compartimientos

destinados a la recepción de yeso, sulfato de calcio, el cual se adiciona en la molienda

del clinker. El propósito del yeso es impedir la formación de compuestos que retarden la

completa hidratación y endurecimiento del cemento. De sus respectivas tolvas, tanto el

clinker como el yeso son trasladados a pesadoras automáticas para ser mezclados en

las proporciones convenientes, de acuerdo a su composición. Los molinos de cemento

son de características similares a los descritos en la etapa de obtención de harina

cruda, en ellos el material se reduce CI polvo impalpable, el cual ya es cemento

Portland.

7

De estos molinos, el cemento es conducido a silos de almacenamiento para de ahí ser

despachado a granel o bien transportado neumáticamente a máquinas de envasado,

en donde se llenan en sacos de papel hasta un contenido neto de 50 kilogramos. La

figura 1.3.1 muestra el flujo de la manufactura del cemento Portland.

Seminaio de Proyectos a

Figura 1.3.1 Manufactura del cemento Portland, gráfica de flujo sométrico.

(Reproducida con la autorización de la Portland Cement Association)

t.

II. Los Combustible$

La energía necesariu para conseguir transformaciones de la carga se puede obtener

del combustible al liberar la energía química almacenada por los ‘mismos mediante la

combustión (conjunto de reacciones físico-químicas entre combustible y comburente),

y de acuerdo a su estado físico se pueden diferenciar.

(I. 1 Clasificación

Los combustibles que pueden utilizarse en los hornos industriales, se agrupan en las

siguientes categorias.

A continuación se describen las propiedades más importantes de los combustibles

líquidos petrolíferos, los restantes combustibles representan un porcentaje muy

reducido del consumo total.

COMBUSTIBLES INDUSTRIALES

Derivados del - gasóleos

petróleo - fuel oil

* LlQUlDOS

Residuales

Semlnaio de Proyectos IO

L o s C W W N E S HOENIERk EN ENEIKih

11.2 Combustibles Líquidos

Los derivados del petróleo son excelentes combustibles para generar energía y fuerza.

siendo los más populares de los combustibles líquidos y los de mayor utilización. El

residuo que se obtiene al refinar el petróleo es un líquido negro viscoso y sin sólidos,

denominado combustible pesado, y es el que se emplea para quemarse en los hornos

de cemento.

Existe una amplia variedad de petróleos con características físicas y químicas

diferentes, lo cual da lugar a diferentes condiciones de quemado. A continuación se

describen las propiedades más importantes para los combustibles líquidos.

11.2.1 Propiedades Físico-Químicas

Densidad

La densidad se define por el cociente entre la masa de un cierto volumen de

combustible líquido y dicho volumen, a una determinada temperatura. Salvo que se

especifique lo contrario, cuando se habla de densidad de un combustible líquido se

entenderá que se refiere a la que presenta el producto a 25 O C y a la presión

atmosférica (760 mmHg).

La densidad en estado líquido se determina fbcilmente, cualquiera que sea la

temperatura a la que se encuentre, con ayuda de un densímetro. La densidad varía

con la temperatura y en mucha menor cuantía con la presión. Al ser la densidad una

magnitud muy fácil de medir se ha utilizad0 para determinar otras propiedades

mediante correlaciones expresadas en fórmulas empíricas de correspondencia, que

conducen a resultados suficientemente exactos en la mayoría de .las aplicaciones.

L O S COUUJBIES MGENYRh EN ENERGh

AI ser la densidad una magnitud muy fácil de medir se ha utilizado para determinar

otras propiedades mediante correlaciones expresadas en fórmulas empíricas de

correspondencia, que conducen a resultados suficientemente exactos en la mayoría

de las aplicaciones. A continuación se indican una de estas correlaciones.

- Contenido en hidrógeno

Est6 relacionado con la densidad por la f6rmuia:

76 H (en peso) = 25 - (15+ d)

Aunque la densidad del combustible líquido depende de la presión, en los problemas

prácticos puede despreciarse la influencia por que el coeficente de compresibilidad

es muy reducido.

S e n i d o da Proyeclor 12

LOS COUWSlaLES INGENlERl* EN ENtffiU

* Viscosidad

La viscosidad es la medida física de la resistencia que opone un líquido a fluir cuando

se le aplica una fuerza exterior. Por ejemplo, la presión contenida por una bomba o

por una columna del líquido en un camitjn o vagón cisterna que se descargan por

gravedad.

La viscosidad es una de las propiedades más importantes de un combustible en lo

que se refiere a su almacenamiento, trasiego y utilización. La viscosidad se mide en

unidades físicas o prácticas. Entre las primeras se encuentran: la viscosidad absoluta

o dinámica y la cinemática cuyas unidades, en el sistema CGS. son,

respectivamente, el poise y el stoke. En la prdctica, tanto el poise como el stoke resultan

unidades demasiado grandes; por tal motivo se emplean con mayor frecuencia sus

submultiplos, el centipoise y el centistoke (cst) que, como sus nombres indican,

equivalen a la cenitésima parte del valor de las primeras.

La viscosidad cinemática se obtiene dividiendo la dinámica por la densidad del

combustible. Las determinaciones exactas de las viscosidades de los combustibles

deben de realizarse en laboratorios especializados. La viscosidad de un combustible

liquido varia intensamente con su temperatura y resulta poco sensible, por una

parte, a oscilaciones moderadas en la presión, cuyos efectos pueden despreciarse en

la mayoría de los problemas prácticos.

No se han formulado leyes aplicables a cualquier tipo de fuel-oil que relacionen

directamente la viscosidad con la temperatura del producto. La dificultad de

establecer este género de fórmulas obedece a la heterogeneidad de los

combustibles residuales y de mezcla y a su tendencia a comportarse como

suspensiones o semilíquidos por debajo de determinadas temperaturas.

Seminario de Proyectos 13

1OICOUWSI.LES SENEIIh €N E N E m

* Fluidez crítica

Indica la temperatura mínima.a que un combustible es bombeable y por lo tanto

sirve de base para el cálculo de aislamientos y calentamientos de depósitos y

tuberías en las zonas que lo requieran, de acuerdo con las condiciones atmosféricas

previsibles.

* lnflamabilidad

El punto de inflamación o inflamabilidad de un combustible líquido da una indicación

sobre el valor de la temperatura a la cual el producto, ensayado según una cierta

norma, emite suficientes vapores para que pueda inflamarse la mezcla aire-gas

provocada por el calentamiento del fluido.

Se admite, que los distintos combustibles líquidos puedan manipularse, sin grave riesgo

de explosión o incendio, siempre y cuando permanezcan temperaturas inferiores a

las correspondientes a sus puntos de inflarnación.

Desde el punto de vista de la seguridad de almacenamiento puede

considerarse que tanto el gas-oil como los diversos tipos de fuel-oil (combustóleo)

son productos poco peligrosos, porque sus puntos de inflamación son del orden de

65 - 70 "C, muy superiores o las temperaturas de almacenamiento.

Semnaio de Proyector 14

LOICOMWIRLES WGENERk EN f N E K i A

* Residuos carbonosos o cok Conradson

El residuo carbonoso se obtiene como el peso del cok y cenizas minerales que resultan

en la destilación de un cierto volumen del combustible líquido aplicando aparatos y

normas operativas rigurosamente especificados. En lo que se refiere a los

quemadores de combustibles líquidos a pulverización mecánica o neumática, el

índice de Conradson proporciona una indicación u orientación valiosa sobre la

tendencia del combustible a formar inquemados y a obturar las boquillas de los

atomizadores o chiclers.

Un residuo de Conradson superior a 6 96 dificultará sensiblemente el

funcionamiento de las instalaciones térmicas de reducida o mediana potencia y

repercutirá en una elevación apreciable en los gastos de mantenimiento y se reducir

en un mayor riesgo de fallos. Los indices elevados en el cok Conradson dan una

orientación significativa sobre la tendencia a crackizar de un fuel-oil en los

precalentamientos anteriores a su combustión, impone restricciones severas a su

aplicación y delimita, finalmente, el dornlnlo de las potencias térmicas en las que

puede emplearse racionalmente un determinado combustible líquido.

* Contenido de azufre

La determinación del contenido de a.zufre de una muestra es importante debido a

que los compuestos sulfurados son malolientes y corrosivos.

Durante la combustión, se desprende en forma de S02 que ' por oxidación e

hidratación da ácido sulfúrico, que es un contaminante peligroso y además un

compuesto fuertemente corrosivo.

Seminario de Proyectos 15

LOS CMUJUII.IfS INGENIRU fN €Nfffih

* El contenido de cenizas

Las cenizas son el residuo de la combustión del producto. En las cenizas se

encontrarán presentes los sedimentos minerales y los óxidos de jabones metálicos

solubles en el combustible o en las gotitas de agua que los pueden arrastrar y

contener en emulsión o suspensión.

Un elevado contenido de cenizas se traducirá en el mayor desgaste de los órganos

de las instalaciones, principalmente bombas y chiclers. Pero por independencia de

sus perjudiciales efectos mecánicos, las cenizas pueden contener compuestos de

vanadio, sodio, potasio y calcio que a partir de temperaturas relativamente reducidas

de las paredes metálicas originan corrosiones fuertes.

Por otra parte, parece estar confirmado que los compuestos de vanadio actúan

como catalizadores en las reacciones:

desplazando el líquido hacia la derecha, provocando la formación del ácido sulfúrico,

y aumentando la agresividad de los gases de la combustión. El contenido en cenizas es

más significativo cuando se completa con un análisis químico cuantitativo de sus

componentes.

Sernimio de Proyector 16

Contenido en agua y sedimentos

El agua, en forma de minúsculas gotas, y otros tipos de impurezas, se encuentran

en suspensión en todos los combustibles líquidos y particularmente en los

residuales. El contenido en sedimentos de un combustible líquido se determina

disolviendo su matriz hidrocarburada en benzol, filtrando la disolución y pesando las

impurezas retenidas por un filtro.

Si las partículas extrafias est n totalmente constituidas por granitos de sílice o de óxidos

de hierro, la circulación del combustible por órganos tan delicados como las bombas

de desplazamiento positivo o los chiclers de los quemadores llevan aparejada la

rápida abrasión de estos elementos. Si, por el contrario, los sedimentos están

compuestos por partículas blandas, su acción dentro de ciertos limites no resultará

apreciablemente nociva.

Los efectos del agua contenida en un combustible líquido depende

fundamentalmente de la Forma en que se halle presente. Si las gotas de agua dispersas

en el fluido son de diámetros tales que su decantación es rápida a las temperaturas

que alcanza el combustible en el precalentador del quemador, su presencia a partir

de porcentajes del orden del 1 % puede ya provocar irregularidades apreciables en el

funcionamiento del quemador y en la estubilidad de la flama.

Por el contrario, si las gotitas de agua emulsionadas en el combustible no son

susceptibles de decantar porque sus diámetros son muy reducidos y las necesidades

de calentamiento no muy pronunciadas, porcentajes relativamente importantes, del 1 O

o el 15 %, no ejercen una infltrencio perjudicial apreciable durante el

funcionamiento del quemador, desde el punto de vista mecánico.

LOS C C * I ~ U N € S HGENIERk €N ENEffih

11.2.2 El Combustóleo

El combustóleo o aceite residual, es como su nombre lo indica, el material que queda

después de que todos los productos livianos y destilables han sido sacados del

petróleo crudo. Según los requecimientos de mercado de la refinería, puede ser espeso,

grueso o liviano. La clasificación común para el aceite residual utilizado en el caldeo

de hornos es "N0.6 fuel oil", (USA), Heizoel (RFA) fuel oil H o G (GB), mazout lourd 2 (F), Heizoel schwer (Suiza).

Composición 83 -87XC 11 -13%H

4 - 5 % S

- 5 % O, N, H20

Densidad (0.8), 0.84 - 0.98

Poder calorífico

inferior 4 0 - 42 O00 kj/kg (9 500 kcal/kg)

Emisividad 0.8 1

Tasa de ceniza de aceite muy baja

Temperatura de ignición 300 - 5000 "C

Viscosidad con temperatura ambiental: espeso,

no bombeable; con 50 a 60 OC:

200 - 1 00 cST bornbeable,' con

1100 12OoC:30- 15cST

Semnaio de Pfovectos 18

11.2.3 Los Combustibles Derivados de Residuos (Combustibles Alternos)

Un factor importante para la reducción de costos de operación, es la utilización de

alternativas de combustibles o residuos de consumo humano.

Los hornos de cemento por lo general son máquinas térmicas muy eficientes que al

mismo tiempo se pueden usar como un seguro incinerador de desperdicios, sin

originar emisiones adicionales, ni sólidos como subproductos. Es por lo tanto muy

importante conocer el comportamiento de las emisiones del horno.

Las ventajas que proporcionan los combustibles alternativos o combustibles de

desecho, es que pueden reemplazar desde un 20% hasta un 50% del total de energía

calorifica necesaria para la producción. Algunos combustibles de desecho son tan

buenos como los combustibles convencionales por su poder calorífico (por ejemplo:

restos de aceites, coque, llantas usadas).

El ahono de energía no es el Único argumento para la quema de desechos, sino

también la posibilidad de alcanzar ingresos económicos por el tratamiento de

desechos, porque el horno de cemento es potencialmente capaz de incinerar

desechos difíciles o pe1igrosos;los que de otra manera demandarían un alto costo

de tratamiento o incineración en adecuados hornos especiales.

Si el tratamiento es adecuado, el quemado de desechos en hornos para cemento

ofrece una incomparable ventaja desde el punto de vista ambiental, el horno puede

quemar desechos sin exceder las regulaciones de emisión y sin producir mayores

residuos tóxicos.

19

LOSCOUIUSI.L€S INGENIERh EN tNfRGIA

11.2.4 Clasificación

RESIDUOS SOLIDOS

De fácil molienda

- desechos del beneficio de minas de carbón - lignito de bajo grado - restos de carbón - aceite de esquistos - coque de petróleo - restos de carbón de madera - carbones de gran contenido de cenizas

Duro o mediano a dificil moldurabiliad

tamaño grande tamatio pequeño

- restos de llantas - cáscara de arroz - cajas de baterias - paja trizada - desechos domésticos -

- pellets - cortezas de árboles - madera trizada - piñas - cáscaras de cocos - oliva prensada - restos trizados de autos

- Cdd aserrín tierra de Fuller combustibles de desecho de caucho polvo de gráfito caucho molido

- aceites de suelo contaminados - gráfitos de la ind. del aluminio - aceites de cascara de palma

LOICa*O!JSl.(ES W E N I E R ~ EN INERCIA

RESIDUOS LlQUlDOS

Bajo o medianamente tóxico Alto poder tóxico o potencialmente dañino al ambiente

- restos de aceite - PAH's - Iodos aceitosos - PCS'S - restos de refinerías - compuestos policíclicos - subproductos de alquitrán clorinados

- restos de la industria de la

- restos de la industria química

- lodos ácidos

pintura (solventes)

(Benceno, alcoholes y acetatos)

RESIDUOS GASEOSOS

- gases de composición de desechos - gases de sólidos orgdnicos - gases de quemado de desechos populares

21

XYCENERh EN ENERGh

111. Análisis Eneraético

En una gran cantidad de problemas de ingenieria intervienen sistemas abiertos en

los que entra y sale masa de una región del espacio. En la mayor parte de los casos

es físicamente imposible seguir el rastro de una masa dada de control. En

consecuencia, se hace necesaria una formulación de los balances de energía a fin de

poder tener en cuenta las cantidades de energia transportadas a través de las

diversas partes de la frontera mediante la transferencia de masa, así como las

interacciones globales de calor y de trabajo.

El análisis de los procesos de flujo comienza con la elección de una región espacial

denominada "volumen de control". La frontera o limite del volumen de control puede

ser en parte una barrera física bien definida, o puede ser en su totalidad una

envoltura imaginaria. La definición de la frontera, o superficie de control, es el primer

paso en el análisis de cualquier sistema abierto.

En el análisis inicial, el volumen de control tendrá forma y tamaño constante y su

posición con respecto al observador ser6 constante también; el balance de energía

del volumen de control necesita datos no sólo de las interacciones de calor y de

trabajo, sino también de un recuento de la energía transportada hacia adentro o

hacia afuera del volumen de control por la masa que cruza la superficie de control.

Tal recuento de la energía exige reconocer el estado de la materia que pasa por la

superficie de control. Esto implica que las condiciones de equilibrio estático se

cumplen bastante bien en la región de la superficie de control. Estas condiciones se

satisfacen si las propiedades del fluido varian de manera relativamente lenta y

continua a través de la superficie de control. Esta exigencia no impide que las

propiedades cambien con el tiempo en una frontera en una frontera abierta dada, tal

como debe suceder en los procesos que son en estado transitorio. No obstante,

significa que el flujo se comporta lo suficientemente bien como para que sus

propiedades se conozcan con una exactitud adecuada en sus fronteras.

Seminaio de P~oveclo~ 22

ANAL66 ENIsGnCO INCENERI* fN ENCRGIA

Se dice que el flujo que circula a través de un sistema abierto es de estado

estacionario si las propiedades en una posición dada dentro o en las fronteras del

volumen de control son constantes con respecto al tiempo.

Las propiedades de interés incluyen las intrínsecas, como la temperatura, la presión, la

densidad y la energía interna específiccr, asi como las extrínsecas que se refieren a la

corriente total, tales como la velocidad o la elevación. Es la invarianza de estas

propiedades con respecto al tiempo en la superficie de control lo que tiene

importancia especial. No obstante, el fluido sí cambia a medida que pasa por el

volumen de control.

Seminaio de Proyectos 23

ANAL66 ENERGflCO INGfNERl4 EN ENEFS%

111.1 Fundamentos del Análisis Energético

Principio de conservaciónde la masa para un volumen estacionario

El gasto másico se define como la variaci6n de la masa con respecto al tiempo,

&m/dt. Se representa por (m'), es decir, m' = &m/dt. De acuerdo con la definición de

estado estacionario debe cumplirse dos condiciones siguientes en un volumen de

control:

l . El gasto másico de un fluido que atraviesa una superficie de control se mantiene

constante.

2. La masa total dentro de un volumen de control permanece constantemente con

respecto al tiempo. Por lo tanto, el gasfo másico total que sale del volumen de

control debe ser igual al gasto másico tottrl que entra.

De acuerdo con la condición 2, si un volumen de control tiene varias entradas y

salidas,

C entrada (m') = C10sdo (m')

En el caso de que haya una sola entrada y una sola salida,

(m') entrado = (m') MIM

Estas dos ecuaciones son expresiones generales de la conservación de masa en

condiciones de estado estacionario.

seminrrio de P r O y ~ t O s ' 24

El gasto másico (m') se puede expresar en términos de propiedades del fluido en la

superficie de control y de la geometría de la superficie de control. L a figura 1 muestra

un elemento de fluido sombreado justo afuera de la superficie de control, la cual se

representa mediante la linea en puntos. La distancia que el elemento de fluido se

desplaza durante el intervalo de tiempo dt es V dt, donde V es la velocidad

uniforme del elemento de fluido. El volumen diferencial de fluido que pasa a través de

la sección transversal de área A es entonc:es V A dt. Por último, la masa diferencial que

pasa a través de la superficie de control es el producto del volumen V A dt y de la

masa por unidad de volumen. Es decir,

&m=AVAdt

como (m') = &m/dt

(m') = A V A = A V / V

siendo v el volumen específico.

L a ecuación de continuidad del flujo o simplemente ecuación de continuidad para el

flujo estacionario con una entrada y una salida es:

En estado estacionario, en cada entrada o salida el gasto másico es constante. Así,

el estado estacionario necesita que el flujo sea estacionario. En término más general

es:

Centrada d V A = d V A

x enfroda (AV/'/) = Msda (AV/V)

Seminorlo da PIOWCIOI 2s

A N A L 0 0 fNfRGffCO WGENEI!A EN E N f m

t-"

P

v - 1 - 1 volumen = VA dt Area=A

___, """"

longitud = V dt

figura 1. Esquema del desarrollo de la ecuación de continuidad para el estado estacionario

Seminuio M, Proyectos 26

A U N 6 6 N I C m t O WCENCRh EN ENERGh

PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA ENERGIA PARA UN VOLUMEN DE CONTROL

El desarrollo general de un principio de conservación de la energía para un volumen

de control se basa en el principio de conservación para un sistema cerrado, o masa

de control. Se seguirá a una masa de control (MC) conforme pase por un volumen de

control (VC) duran te un intervalo diferenc:ial de tiempo. Se supone que el volumen de

control tiene forma y tamaños fijos; vea la figura 2.

En el instante 1, la masa de control ocupa la región del volumen de control

marcada como VC y la pequeña región fuera de la entrada 1 indicada con el símbolo

A. La región A se elige de tal manera que cuando transcurre un tiempo dt, toda la

masa diferencial que inicialmente se encontraba en la región A pasa por el volumen de

control. Sin embargo, en este mismo tiempo, parte de la masa de control que

inicialmente estaba en el volumen de control habrá pasado a la región B. la cual

esta justo fuera de la sección transversal se salida 2. En el tiempo dt, el principio de

conservación de la energía para la masu de control (MC) es:

&Q + &W = dE (MC)

La energía asociada con la masa de control en el tiempo t está dada por

E (MC,t) = E(VC,t) + dE(A)

Similarmente, se halla que para el tiempo t + dt,

E (MC,t+dt) = E(VC,t+dt) + dE(B)

Semina% de Proyectos 27

A H l l M Erm;tlCO INGENEU~ EN ENEFGU

Volumen de control (VC)

A

supetficwe de control

Volumen de control WC)

2

I B

figura 2. Deducción del principio de la energía para un volumen

de control. a) Masa de control en el tiempo t; b) masa de

control en el tiempo t + dt.

20

ANAL66 ENERGElCO HGfNIERh EN ENERGIA

En consecuencia, el cambio de energía dE(MC) de la masa de control en el tiempo dt

es

dE(MC) = E(MC,t+dt) - E(MC,t)

dE(MC) = E(VC,t+dt) + dE(b) - E(VC,t) - dE(A)

dE(MC) = dE(VC) + dE(B) - dE(A)

donde dE(VC) = dE(VC,t+dt) - dE(VC,t) .

Las regiones A y B son diferencialmente pequeñas. La energía dE(A) asociada con

la masa diferencial en la región A es igual a la energía por unidad de masa el

multiplicada por la masa &m(A) de la región. Además, de la ecuación de continuidad

de flujo,

&m = (m') dt. Por tanto,

dE(A) = e l &m1 = e l (m'l) dt

Una ecuación similar es válida para la región B en la vecindad de la sección

transversal 2. Sustituyendo estas expresiones de dE(A) y dE(B) en la ecuación de la

energía dE(MC), se obtiene

dE(MC) = dE(VC) i- e2 (m'2) dt - e l (rn'l) dt

y del principio de conservación de la energía es

6Q + 6 W = dE(VC) + e2 (m'2) dt - el (m'l) dt

se obtiene una ecuación de rapidez cle cambio si la ecuación. se divide entre dt.

Esto último da

(&Q/dt) + (&W/dt) = ( dE(VC)/dt) + e2 (m'2) - e l ( r n ' l )

Seminaio de Proyector 29

ANM6E EHfsCOlCO IIGENERh EN ENEWlA

Finalmente, la rapidez W' con la que se efectúa trabajo y la rapidez de transferencia

de calor Q' se definen como

W' = &W/dt y Q' = &Q/dt

Esto da por resultado que, para un volumen de control con una entrada y una salida,

la ecuación se convierta en

Q' + w' = ( dE(VC)/dt ) + e2 (m'2) - el (m'l)

En el caso de un volumen de control con varias entradas y varias salidas. el enunciado

general de la conservación de la energía toma la forma

Q' + w' = ( dE(VC)/dt) + X a d o e2 (m'2) - Centradoel (m'l)

Para darle a esta ecuación una forma más útil, es necesario determinar cuáles son

los términos de la energía incluidos en W' y en " e 'I.

Cuando entra o sale masa de un volumen de control, se necesita trabajo para

empujar el fluido hacia adentro o hacia afuera del sistema. A este término de trabajo

se le llama usualmente trabajo de fluido, Para evaluarlo regresaremos a la figura 1. El

trabajo &W necesario para empujar la masa diferencial &m hacia el volumen de

control es igual al producto de la fuerza por la distancia. La fuerza ejercida por el

fluido detrás de la región punteada sobre la masa que está dentro de la región, es

simplemente la presión por el área, es decir, P A. Esta fuerza se ejerce a lo largo de una

distancia V dt en flujo uniforme. Así, el trabajo de flujo es P A V dt.

Saminaio de Proyectos 30

ANAlSS fNfSE7CO NGLNlERh EN ENERGh

Se aplica un término similar a cualquier porcien de la superficie de control a través

de la cual se transfiera masa. Recordando que m' = delta A V. la ecuación del

trabajo de flujo se puede alterar como

con base en la unidad de tiempo, la ecvación para el trabajo de flujo se convierte en

Asi, la ecuación de W' = W' sistema + W , ahora ya es posible sustituir las diversas

formas de interacciones de trabajo a la ecuacidn general. Entonces,

Q' + W' Grtema + W' too = (dE(VC)/dt) + Esasdo e2 (m'2) - C entrodael (m'])

o bien

Agrupando términos y escribiendo en el lado derecho todos aquellos que contienen

m', se halla que

Q' + W' sistema = C solida ( e + PV) m' - C entroda (e + PV) m' + (dE(VC)/dt)

Esto representa un principio general de conservación de la energía para un volumen

de control con varias entradas y varias salidas en flujo uniforme.

semnaio de PrOyeClos 31

ECUACIONES DE ENERGIA PARA UN VOLUMEN DE CONTROL EN ESTADO ESTACIONARIO

Conforme con la definición de estado estacionario, la energía total dentro del

volumen de control en condiciones de estado, permanece constante conrespecto al

tiempo. Esto significa que dE(VC)/dt = O. Como resultado, la ecuación general se

reduce a la expresión siguiente en condiciones de estado estacionario:

Existen muchas aplicaciones del principio de conservación de la energía para el

estado estacionario en las cuales hay una sola entrada (posiciónl) y una sola salida

(posición 2). En estas circunstancias, la ecuación se reduce a

Q' + W' irtema = ( (h + V2/2 + gz) m' ) r d d a - ( (h + v2/2 + gZ) m' ) entrada

como (m')raw= (m')entrada = (m').

q = Q' / (m') y w sistema = W &ma / (m')

entonces

q + w sistema = (h2 - hl) + ( ( (V2)2 - ( V ~ ) I ) / 2 ) + g (a - ZI)

Senunano de Proyeclor 32

111.2 Balance de Energía

El balance de calor o balance de energía tiene por objeto obtener la información

especifica sobre el empleo de la energía en las diferentes operaciones básicas que

comprenden un proceso productivo, fócilitando un método de control energético de

ellas y sacando como conclusiones unos consumos específicos térmicos y

mecánicos, que servirán de indices energ6ticos y definirán el estado de la operación.

CONSIDERACIONES PREVIAS A LA REALIZACION DEL BALANCE DE ENERGIA

Una vez selecionadas las unidades o centros consumidores de energía se procede a

la toma de datos o medidas tanto de flujos de materia como de energía de entrada

como de salida, teniendo presente lo siguiente:

- Las diferentes formas de energía que entran o salen del sistema

deberán estar referidas a la misma unidad de tiempo y expresadas

en las mismas unidades térmicas (calorías, kwh, etc ...), bien con

relación a una unidad de peso de producto u otra forma que

resulta adecuada.

- Las condiciones de proceso entre el comienzo y el final de la

toma de datos no deben presentar alteraciones incontroladas.

33

A N A L M ENfffiflTCO WGfNFFiA EN fNERGh

El balance se rige por el principio de que la energía que se aporta al sistema es

idéntica a la que este cede (figura 1). Así, la contenida en el combustible, la carga, el

aire de combustión y el trabajo sobre el horno ha de ser la misma a la cedida en gases,

carga y pérdidas.

E N E R G W DE ENERGIAS DE . SALIDA

' C A R G A AIRE DE

' C A R G A HORNO GASES

COMBUSTION PERDIDAS

' TRABAJO

figura 1. Las energías de entrada y salida de un horno rotatorio

La forma de cuantificar la energía contenida en cada materia (sólida, líquida o

gaseosa) se efectúa por medio de su entalpía, calor de reacción, calor sensible o calor

latente, paramátros todos ellos como función de la temperatura que en ese momento

tiene dicha materia.

Es por ello que se hace necesario definir una temperatura de referencia,

generalmente la ambiente, a la cual deben referirse los contenidos energéticos de

entrada y salida.

Semnono de Proyector 34

ANAL64 ENEPGFlKO INGENERh EN ENERGIA

Además de utilizar la ecuación del balance de materia y de energía para un volumen

de control en estado estacionario, la expresión general para cuantificar la energía de

entrada y salida se define como:

donde se desprecian los cambios de las energías cinéticas y potencial.

La figura 2 muestra las energías de entrada y salida necesarias para el balance del

horno rotatorio utilizado en la industria del cemento.

ENERGIAS DE ENTRADA ENERGIAS DE SALIDA

Q 1 .- aportada por la carga Q6.- contenida en la carga

Q2.- aportada por el combustible Q7.- contenida en los gases

de combustión

Q3.- contenida en el aire primario (28.- pérdidas a través de las

de combustión paredes

(24.- contenida en el aire secundaria

de combustión Y enfriamiento

W5.- trabajo realizado por el sistema

por lo tanto, la expresión de energías de entrada y salida es:

Q I + Q 2 + Q 3 + Q 4 + W 5 = Q 6 + Q 7 + Q 8

Semncnio de Pfoyectos 35

A N * l M E N E f f i R C O INGENERU EN ENERGIA

donde cada término de energía se expresa y calcula de la siguiente manera:

1 .- aportada por la carga

Q1 = nCp ( le - lo) + nQr

(calor sensible (calor de reacción, de la carga) negativo si es endotérmica)

2.- aportada por el combustible

Q2 = n P.C.S. + n Cp (Te - To)

(calor debido (calor sensible a la combustión) del combustible)

OBSI: se introduce el P.C.S. (poder calorífico superior) y no el P.C.I.

(poder calorífico inferior) por que los gases de salida tendrán

un contenido de vapor, tanto en la humedad del aire como

en el producto en la reacción de combustión.

3.- contenida en el aire primario de combustión

Q3 = n Cp (Te -To) + n H

(calor sensible (calor contenido en el vapor

del aire de de agua del aire de combustión)

combustión seco)

OBS2: el valor de H puede obtenerse por el diagrama

psicométrico de aire húmedo.

Seminuio de Proyectos 36

ANALM fNfIGAKO HGENYRl* EN ENEffih

4.- contenida en el aire secundaria de combustión y de enfriamiento

Q4 = n Cp (Te -To) + nH

(calor sensible (calor contenido en el vapor

del aire de de ugua del aire de combustión)

combustibn seco)

5.- trabajo realizado por el sistema

W5 = V * I * (860/(3600*1000)} = ((v I)/K)* (860/(3600*1000))

OBS3: el trabajo que se realiza sobre el horno rotatorio

es el producto del voltaje por la comente, a su vez,

el voltaje esta relacionado con la velocidad del horno

como

velocidad V

v = """""""""""""" - constante K

6.- contenida en la carga

Q6 = nCp(Ts-To) + nQr

(calor sensible (calor da cambio de estado o fase,

de la carga) en caso de producirse ésta)

Semncxio da Proyeclor 37

ANAL66 E-CO I N C E N N R ~ EN EN ERG^

7.- contenida en los gases de combustión

Q7 = I: ni Cpi (Ts -To) + nH + C nl P.C.S.1

(calor sensible de (calor contenido (calor no utilizado

los diferentes gases) en el vapor de en la combustión

de los gases) por inquemados)

8.- perdidas a través de las paredes

Q8 = h S (Tp-TO) t

ANALM EN€IG€lCO INGENERIA EN Et4CK.h

Flgwa 2. Eneraas de w~lmda y tdlda para

el bokmco del homo rotoforlo

seminaio de Ployectos 39

Significado de las variables expresadas

n

CP

Te

To

P.C.S.

H

Ts

Qr

h

TP

t V

I

V

K

= cantidad de producto, mol

= calor específico, kcal/mol K

= temperatura de entrada, K

= temperatura de referencia, a 298 K

= poder calorífico superior, kcal/kg de combustible

= entalpía del vapor de agua en el aire, kcal/mol

= temperatura de salida, K

= calor de cambio de estado o de fase, kcal/mol

= coeficiente de convección, kcal/m*2 K hr

= temperatura del envolvente, K

= tiempo sobre el que esta referido el balance, hr

= voltaje del horno, volts

= corriente del horno; ampers

= velocidad de rotación, rev/min

= constante de proporcionalidad entre voltaje y velocidad

Seminaio de Proyectos 43

A N A L M ENERGflKO INGENIfRI* EN ENCRGI*

111.3 Cálculo de los Poderes Caloríficos Superior e Inferior

El cálculo del poder calorífico inferior (PCI) a volumen constante de un combustible

líquido a partir del poder calorífico superior (PCS) a volumen constante, de la densidad

y del por ciento de agua, es de la siguiente manera:

observación l . Las hipótesis propuestas para este cálculo son:

1 ) % H2 = 25 - ( 15 * densidad) ( * por ciento de hidrógeno *)

2) % C = 1 0 0 % - Hidrógeno X - Agua 45 - Impurezas % (* por ciento de carbono *)

* debido a que en un combustible las cantidades de oxígeno, de nitrógeno, azufre

entre otras están en cantidades de partes por millón (ppm), estas contribuyen en 1 %.

Observación 2. Del laboratorio se tienen los siguientes datos del combustible líquido:

Agua X = 9.57, densidad = 0.905 , poder calorífico superior (PCS) = 8.856.1 1 kcal/kg.

A partir de las hipótesis se tiene que:

% H2 = 11.425 % C = 78.01

Los pesos moleculares respectivos son:

PM (C) = 12.01 1 kg/mol; PM (H) = 1 .O08 kg/mol: PM (Hz0) = 18.01 6 kg/mol

Las cantidades en moles de carbono, hidrógeno y agua son:

C: 78.01/12.011 = 6.50 mol H: 11.425/1.1308 = 1 1 . 3 3 mol Hz0: 9.57/18.016 = 0.53 mol

Semina60 d% Proyectos 41

ANAL66 ENfRGElKO I N G E N E R ~ EN ENIRGIA

Por lo tanto, el combustible líquido tiene un peso molecular de:

PM ( c6.50 HI 1 . 3 3 ) = 89.435 kg/mol

Las moles de agua formada por el proceso de combustión son:

Hz0 combustibn = ( 1 1.33 + (2*0.53) ) / 2 = 6.1 95

o bien:

La reacción de combustión completa es:

c6.50 H11.s + 0.53 Hz0 + 9.622 0 2 + ... --> 6.195 H20 + 6.50 c02 + ...

utilizando la ecuación para el 'cálculo del poder calorífico inferior (PCI) a volumen

constante se tiene que:

PCI = PCS - (Ma*uofg) = PCS - (550.51*Ma)

donde la masa de agua [Ma) formada se calcula como:

(moles de agua por la combustión) (peso molecular del agua) Ma = _____________________________I__ """""""""""""""

(moles de combustible) * (peso molecular del combustible)

Seminado be Proyectos 42

& N A l M ENERfICO INGENIf& EN ENERGU

Por to tan to:

PC1 = 8856.11 - ((550.51 *6.195*18.016)/ (1 *89.435))

PC1 = 8 169.1 1 kcal/kgcmtw,tw.

Semnwio de Proyectos 43

ANAlM fNfRG€lKO UGENERb EN ENtRGk

Observación 1

A continuación se muestran las salidas en pantallas del programa elaborado para el

cálculo del poder calorifico inferior para combustibles líquidos, dicho programa puede

resolver para un solo combustible o para una mezcla de 20 combustibles; resolviendo el

problema del combustible alterno propuesto anteriormente.

El procedimiento para el manejo del programa se da de acuerdo a los siguientes pasos:

PASO 1:

Teclee ENERGIA y oprima ENTER para iniciar el programa

PASO 2:

La primer pantalla muestra la utilidad del programa, nombres del autor y asesor del

diseño del programa, por lo que se tendrá:

pantalla # 1

ESTE PROGRAMA LE PERMITE CONOCER EL PODER

CALORIFIC0 INFERIOR PARA COMBUSTIBLES LlQUlDOS Y

SUS MEZCLAS, AS1 COMO LA TEMPERATURA D E F U M A

Y EL CALOR DE COMBUSTION, A PARTIR DEL PODER

CALORIFIC0 SUPERIOR, DENSIDAD, HUMEDAD Y

CONTENIDO DE AZUFRE.

ELABORADO POR: FABIAN DOMJNGUEZ CAMPOS

ASESORADO POR: FIS. ALEJANDRO VAZQUEZ R.

SEMINARIOS DE PROYECTOS, ING. EN ENERGIA

semhaio de PIoyectos 44

PASO 3:

La segunda pantalla solicita la clase de problema a resolver:

pantalla # 2

8 CLASE DE PLOBLEMA A RESOLVER 3

(P) PODERES CALORlFlCOS [T) TEMPERATURA DE FLAMA = P

A N A L M ENERGElKO NGfNERh EN ENERGIA

PASO 4:

La tercera pantalla inicia solicitando la cantidad de combustibles presentes en el

problema que se quiere resolver:

pantalla # 3

Para este problema responda 1 despues de " ... LA MEZCLA (de 1 a 20) . . . ' I y oprima

ENTER.

CUANTOS COMBUSTIBLES CONTIENE LA MEZCLA (de 1 a 20) 1

PARA BORRAR LA CANTIDAD USAR BARRA ESPACIADORA O DEL

Seminaio de Proyector 46

PASO 5:

La cuarta pantalla requiere el tipo de combustible, ya que puede utilizarse para

combustibles pesodos (combust&) osi como paro combustibles alternos.

pantalla # 4

TIPO DE COMBUSTIBLE

[C) COMBUSTOLEO [A) COMBUSTIBLE ALTERNO = A

47

ANALMENEUXICO WGENtRh fN ENfRGh

PASO 6:

La quinta pantalla requiere de los datos del combustible, poder calorífico superior en

kcal/kg, la densidad en g/ml y el por ciento de humedad que contiene. Si se tiene una

mezcla, además de estos datos se requiere de la cantidad del combustible en litros

para calcular la fracción mol de cada uno.

pantalla # 5

DATOS DEL COMBUSTIBLE ALTERNO

VALOR DEL PODER CALORIFIC0 SUPERIOR (kcal/kg) = 8856.1 1

VALOR DE LA DENSIDAD (g/ml) = 0.905

VALOR DE AZUFRE (%I) = 0.5 (propuesto)

VALOR DE LA HUMEDAD ( W ) = 9.57

PARA BORRAR LA CANTIDAD USAR BARRA ESPACIADORA O DEL

Seminatio de Proyaclos 4a

ANA166 fNERG€lCO WGENERh fN E N E S U

PASO 7:

La sexta pantalla muestra la solicitud de la dirección de salida de resultados, ya sea en

pantalla o para imprimirlos, si desea imprimir tendrá los resultados también en pantalla.

pantalla # 6

Dirección de salida de resultados

Oprima (P) para pantalla

Oprima (I) para imprimir

semnorio de Ployectos 49

ANAL66ENEsGnCO W E N E R ~ EN EN ERG^

PASO 8:

La séptima pantalla muestra los resultados obtenidos (poder calorífico inferior (PCI)). Por

último, le sugiere si desea cálcular el poder calorífico inferior para otro combustible

líquido, donde empezaría nuevamente desde el paso número 4. Los resultados impresos

estan dados por la pantalla # 7.1.

pantalla # 7

DATOS DEL COMBUSTIBLE ALTERNO

PODER CALORIFIC0 SUPERIOR (PCS) = 8856.1 100 kcal/kg

= 8014.7795 kcal/lt

PODER CALORIFIC0 INFERIR (PCI) = 8153.7693 kcal/kg

= 7379.161 2 kcal/lt

DENSIDAD

HUMEDAD

AZUFRE

= 0.9050 g/ml . = '9.57 %

= 0.5000 % (propuesto)

$DESEA CALCULAR OTROS PODERES CALORIFICOS (S/N) ?

Seminaio de PIOyeCtos M

ANALMfNfRGEICO -NEW fNfNfIK;IA

pantalla # 7.1

DATOS DEL COMBUSTIBLE ALTERNO

PODER CALORIFIC0 SUPERIOR (PCS) = 8856.1 1 O0 kcal/kg

= 8014.7795 kcal/lt

PODER CALORIFIC0 INFERIR (PCI) = 8153.7693 kcal/kg

= 7379.1612 kcal/lt

DENSIDAD

HUMEDAD

AZUFRE

= 0.9050 g/ml

= 9.57 %

= 0.5000 % (propuesto)

Seminario de Proyector 51

ANALLYI ENEREICO INGENIER~ EN ENERGLA

PASO 9:

Una vez presentada la séptima pantalla, si no desea calcular otros datos teclee "n" o

"N" para continuar, la octava pantalla le pregunta si desea resolver otro problema o

terminar con el programa, de ser "S" o "S" su respuesta se regresará al paso 3 que es la

pantalla 2 a este programa.

pantalla # 8

8 DESEA RESOLVER OTRO PROBLEMA (S/N) 3

*.HALEU fW€RGElCO WENER~A EN E N E M A

111.4 Cálculo de la Temperatura de Flama Adiabbtica

Además de calcular la temperatura de flama adiabática se determinará el calor útil

en el interior del horno. Por lo que se necesita de los datos de un combustible líquido así

como de la temperatura de los gases productos de la combustión a la salida de dicho

horno.

El combustible utilizado es el combustóleo que entra a 165 OC (con una densidad de

0.998, 0.2 % de humedad 4.4 % azufre), con 10 por ciento de exceso de aire a 25 "C.

L a reacción ocurre aproximadamente Q 1 atmósfera de presión y es completa. Si la

temperatura a la salida del horno es de 1200 "C. se encontrará la cantidad de calor

transferido en el horno para la producci6n de clinker, así como la máxima temperatura

de los productos de combustión.

observación l. Las hipótesis propuestas para este cálculo son:

1) %H~=25-(15*densidad) *

2) % C = 100 96 - Hidrógeno 96 - Agua 96 - Azufre 96 - Impurezas %

debido a que en un combustible las cantidades de oxígeno, de nitrógeno, entre otras

están en cantidades de partes por millón (ppm), estas contribuyen en 1 %.

Observación 2. Los datos de combust6leo son:

Poder Calorífico Superior (PCS) = 9 940.0287 kcal/kg.

densidad = 0.998, % S = 4.4, 46 H20 = 0.2.

Seminario de Provectos 53

A partir de las hipótesis se tiene en kilomoles:

H2= 9.9504 C = 7.0244 S = 0.1372 H20 = 0.01 1 1 PM = 94.4 kg/kmol

Las moles de agua formada por el proceso de combusti6n son:

Hz0 combusti6n = ( 9.9504 + (2.0.01 1 1) ) / 2 = 4.986 kmol

La reacción de combustión completa es:

c 7 0 2 4 4 H9.9~4 + 0.01 1 1 Hz0 + 9.517 O2 + .., --> 4.986 Hz0 + 7.0244 C02 + ...

utilizando la ecuación para el c6lculo del poder calorífico inferior (PCI) a volumen

constante se tiene que:

p c ~ = PCS - (Ma*uofg) = PCS - (550.Sl*Ma)

donde la masa de agua (Ma) formada se calcula como:

( H20 combustión) * PM (H20) Ma =

(moles de c7.0244H9.9504) * PM (C7.ozuH9.9~~)

PC1 = 9 945.0287 - ( (550.51 * 4.9863 * 18.016) / (1 * 94.4) )

PC1 = 9 421.1509. kCQi/kgcornburtibk

PC1 = 9 421.1509 * 94.4 = 889 356.6483 kcal/kmol

Semincnio de Proyectos 54

ANA166 Wl)(jmO NGENEE~ EN EN ERG^

El calor de formación del combustóleo se tiene a partir de:

AH" f(comtwstho) = (7.0244*(-94054)) + (0.01 1 1*(-57797.9)) + (0.1372*(-70947)) +

889 356.6483 + (0.01 1 1 *(-&15.01)) - (O. 1372PW*340)

La reacción de combustión, completa y con un exceso de 1 O 5% de aire es:

C7.024 H9,95 + 0.01 1 Hz0 + 0.1 37 S + 10.61 3 0 2 + 39.905 N2

--> 7.0244 COZ + 4.9863 H2O + 39.905 N2 + 0.965 0 2

Utilizando la ecuación de la energía para un sistema en estado permanente con flujo

permanen te se tiene que:

O = Z ( N i * (A Wt+ hr - hB8))l.poductos - C (NI * (A Wt + hr - h298))i.reactivor ...( 1)

O) X (Ni * (A H'1))i.poductos = - 948 879.7666 kcal

b) Z (Ni * (A H'l))i.reoctivos = - 69 537.3987 kcal

c) Z (Ni * (hr - hp8))i.reoctivor = 7 798.5523 kcal

de lo ecuación ( 1 ) se tiene que:

V (Ni * (hl - h29e))poductor = C (NI * (hr - h~8))l.reoctlvor - I: (NI * (A H'f))i.productor +

2 (NI * (A H ' t ) ) l . p ~ t o r

Z. (Ni * (hl - ha8))i.podvctor = 887 545.9483 kcal

Seminario de Proyectos 55

ANAL66 ENEWXICO INGENIERIA fN ENERGU

Si se supone un comportamiento de gas ideal, la entalpía depende únicamente de

la temperatura; esta temperatura se determina por un método de prueba y error.

Para investigar qué temperatura de los productos debemos utilizar como primer

intento se puede suponer que se tienen 53.022 (moles) de productos, se puede

escribir para el lado de los productos:

Z (Ni * (hr" hzp8))i. productor = 53.022 (hr - hm8)

53.0227 9/2' 1.987 1 )'(T - T298) = 887 545.9483

es decir,

(T - T ~ w ) = ( 887 545.9483 / 474.1202 ) = 1 871.9852 O K

T = 1871.9852 + 298.15 = 2 170.1352 O K

si tenemos como último intento para la temperatura de los productos a T = 1 91 0.965 O C

(T = 2 184.1 15 O K), se calculan las entalpíc~s para los distintos gases y se obtiene:

Por lo tanto, a 1 910.965 OC se da la temperatura máxima de los productos de

combustión (temperatura de flama adiabática), en donde todo el calor generado por

el horno se utilizará para aumentar la temperatura de dichos productos.

La energía útil en el horno se encuentra si la temperatura de los productos extraídos es

de 1200 "C. de la forma siguiente:

Q = 371 '830.31 kcal/kmol * (1 kmoV94.4 kg) = 3 938.8804 kcal/kg combustible

Observación 3: De 9 421.1509 kcal/kg qwe proporciona el combustóleo,

5 302.2705 kcal/kg (9 421.1509 - 3 938.8804) son extraídas por los gases

productos de la combustión, por lo que mientras más disminuya la

temperatura de dichos gases, mayor será el calor útil en el horno.

A N A L M ENERGflCO INGENLR~ EN ENCRG!A

Observación 4

A continuación se muestran salidas erl pantalla del programa elaborado para el

cálculo de la temperatura de flama adiahatica para combustibles líquidos. Se resolverá

el ejemplo del combustóleo propuesto anteriormente.

El procedimiento para el manejo del programa se da acuerdo a los siguientes pasos:

PASO 1:

Teclee ENERGIA y oprima ENTER para iniciar el programa

PASO 2:

La primer pantalla muestra la utilidad del programa, nombres del autor y asesor del

diseño del programa, por lo que se tendrh:

pantalla # 1

ESTE PROGRAMA LE PERMITE CONOCER EL PODER

CALORIFIC0 INFERIOR PARA COMBUSTIBLES LlQUlDOS Y

SUS MEZCLAS, AS1 COMO LA TEMPERATURA DE FLAMA

Y EL CALOR DE COMBUSTION, A PARTIR DEL PODER

CALORIFIC0 SUPERIOR, DENSIDAD, HUMEDAD Y

CONTENIDO DE AZUFRE

ELABORADO POR: FABIAN DOMINGUEZ CAMPOS

ASESORADO POR: FIS. ALEJANDRO VAZQUEZ R.

SEMINARIOS DE PROYEClOS, ING. EN ENERGIA

Semnano de Proyector 58

PASO 3:

La segunda pantalla solicita la clase de problema a resolver:

pantalla # 2

8 CLASE DE PROBLEMA A RESOLVER ?

(P) PODERES CALORIFICOS (T) TEMPERATURA DE FLAMA = T

Seminorio de Proveelos 59

PASO 4:

La tercera pantalla requiere el tipo de combustible, ya que puede utilizarse para

combustibles pesados (combustdleo) así c:omo para combustibles alternos.

pantalla # 3

TIPO DE COMBUSTIBLE LIQUIDO PARA LA COMBUSTION

(C) COMBUSTOLEO (A) COMBUSTIBLE ALTERNO = C

ANALES ENEMCO INGfNYIh EN fNfRCh

PASO 5:

La cuarta pantalla requiere de los datos del combustible, si selecciona (C) solicitará los

valores del poder calorífico superior, densidad, humedad y azufre. Si selecciona (A)

solicitará los valores del poder calorífico superior, densidad y humedad, teniendo como

valor propuesto de azufre 0.5 % en peso.

pantalla # 4

DATOS DEL COMBUSTOLEO

VALOR DEL PCS (kcal/kg) = 9945.0287 .

VALOR DE LA DENSIDAD (g/ml) = 0.998

. VALOR DE LA HUMEDAD ( 9 6 ) = 0.2

VALOR DEL AZUFRE ( 9 6 ) = 4.4

PARA BORRAR VALORES USAR BARRA ESPACIADORA O DEL

61

A N N = ENERGEICO WGENERh EN ENEffih

PASO 6:

La quinta pantalla requiere de la cantidad de exceso de aire la combustión, las

temperaturas de los combustibles y aire primario. y por último la temperatura de los

gases productos de la combustión que se tendrían a la salida del horno.

pantalla # 5

CANTIDAD DE AIRE PARA LA COMBUSTION

'% EXCESO DE AIRE = 10.0

TEMPERATURA DEL COMBUSTOLEO (DE O A 200 "C) = 165

TEMPERATURA DEL AIRE PRIMARIO (DE O A 400 "C) = 25

TEMPERATURA DE LOS GASES DE SALIDA (DE O A 1800 "C) = 1200

PARA BORRAR VALORES USAR BARRA ESPACIADORA O DEL

Seminario de Proyectos 62

PASO 7:

La sexta pantalla muestra la solicitud de la dirección de salida de resultados, ya sea en

pantalla o para imprimirlos, si desea imprimir tendrá los resultados también en pantalla.

pantalla # 6

Direccidn de salida de resultados

Oprima (P) para pantalla

Oprima (I) para imprimir

Seminario de Prowctor 63

PASO 8:

La séptima pantalla presenta los resultados obtenidos (temperatura de flama

adiabática y calor útil en el homo). Por último, le sugiere si desea cálcular otra

temperatura de flama para otro combustible líquido, la cual empezaría nuevamente

desde el paso número 4. Los resultados irrlpresos estan dados por la pantalla ## 8.

pantalla # 7

RESULTADOS PARA EL COMBUSTOLEO

PODER CALORIFIC0 SUPERIOR = 9945.0287 kcal/kg

= 9964.9586 kcal/lt

PODER CALORIFIC0 INFERIOR = 9421 . l a 9 kcal/kg

= 9440.0310 kcal/lt

ENERGIA LIBERADA = 3938.8804 kcal/kg

= 3946.7739 kcal/lt

TEMPERATURA DEL COMBUSTIBLE = 165.00 o c

TEMPERATURA DEL AIRE PRIMARIO = 25.00 O C

TEMPERATURA GASES DE SALIDA, = 1200.00 O C

TEMPERATURA DE LA FLAMA = 1910.96 O C

CANTIDAD DE AIRE PRIMARIO = 10.00 EXCESO

HUMEDAD = 0.20 %

AZUFRE = 4.40 %

&DESEA CALCULAR OTRAS TEMPERATURAS DE FLAMA (S/N) ’?

ANALK6tUflcmTO UIGINCRk fN ENfffih

pantalla # 8

RESULTADOS PARA EL COMBUSTOLEO

PODER CALORIFIC0 SUPERIOR

PODER CALORIFIC0 INFERIOR

ENERGIA LIBERADA

TEMPERATURA DEL COMBUSTIBLE

TEMPERATURA DEL AIRE PRIMARIO

TEMPERATURA GASES DE SALIDA

TEMPERATURA DE LA FLAMA

CANTIDAD DE AIRE PRIMARIO

HUMEDAD

AZUFRE

= 9945.0287 kcal/kg

= 9964.9586 kcal/lt

= 9421 -1 509 kcal/kg

= 9440.0310 kcal/lt

= 3938.8804 kcal/kg

= 3946.7739 kcal/lt . = 165.00 O C

= 25.00 "C

= 1200.00 O C

= 1910.96 "C

= 10.00 EXCESO

= 0.20 %

= 4.40 %

Semido de Proyuclor 65

A N A L M fN€R;OCO HGfNlfRlA fN fNEI(G1A

PASO 9:

Una vez presentada la séptima pantalla, si no desea calcular otros datos teclee "n" o

"N" para continuar, la novena pantalla le pregunta si desea resolver otro problema o

terminar con el programa, de ser "S" o "S" su respuesta se regresara al paso 3 que es la

pantalla 2 a este programa.

pantalla # 9

& DESEA RESOLVER OTRO PROBLEMA (S/N) ?

Semnoio de Proyector 66

NGfNEIU EN fNERGU

IV. Análisis Exeraético

IV.l Fundamentos del Análisis Exergético

El estado muerto para un flujo en estado estacionario a través de un volumen de

control implica, no solo un equilibrio térmico y mecánico del fluido con la atmósfera a

la temperatura constante To y a la presiói? constante Po, sino que además la energía

cinética (EC) en el estado muerto (cuando un sistema y su entorn6 están en equilibrio

uno con el otro) es cero con respecto al ambiente (el fluido se encuentra en reposo).

Por otra parte, su energía potencial (EP) debe estar en un mínimo, es decir, su

elevación debe ser la misma que el ambiente.

La disponibilidad (exergía) de corriente de un fluido en un flujo en estado estacionario

de define como la producción máxima de trabajo que se puede obtener a medida

que el fluido pasa reversiblemente de un cierto estado hasta el estado muerto, al

tiempo que intercambio calor únicamente con la atmósfera.

Seminado de Proyectos 67

ANALISIS tXtRGPlKO CIGENIEW EN ENEWGU

L a disponibilidad de corriente se representa con et símbolo (exer) para una masa

unitaria y (EXER) para la masa total, y EXER = m exer. La exergía de corriente se mide

por el valor de la cantidad h + EC + EP - Tos en el estado deseado con respecto al

estado muerto, es decir,

exer = (h + EC + EP - TOS) .. (ho+ EPo - TOSO)

Aun cuando se habla de la disponibilidad de corriente de un fluido en cierto estado,

la disponibilidad de corriente es función del estado de la atrn6sfer.a local además del

estado del fluido. El valor de (exer) puede ser mayor que o menor que cero para

cualquier estado, diferente del estado m'uerto.

Aplicando la ecuación anterior al estado de entrada 1 y al estado de salida 2 de un

volumen de control, se halla que

El trabajo óptjmo está asociado con un proceso reversible, así para el caso de que el

volumen de control tenga una sola entrada (posición 1 ) y una sola salida (posición 2). la

ecuación en estado estacionario es

donde Q', es la transferencia de calor entre el sistema y cualquier otro dispositivo

termico a la temperatura TI . AI sustituir ambas ecuaciones, se obtiene por resultado

general

W' bptirno = (exer)z - (exer)] + C Q'i ( 1 - (To/Ti))

Seminado de Proyector 68

ANhLISIS EXfRGEllCO WGENERU. €N C N C P W l

La irreversibilidad I es una medida de las pérdidas dentro de un sistema aislado, y en

particular es una medida de la pérdida de oportunidad de producir trabajo útil.

Similarmente, el cambio de entropía S se puede interpretar como una medida de las

pérdidas dentro de un sistema aislado.

Esta ecuación, por unidad de tiempo y en estado estacionario es

sin embargo, - Q' = Q'o + Q'D. Con esta sus.titución, la ecuación anterior pasa a ser

I' = To [Q'o/To)- + To ( Crolida (S m') - 1; entrado (S m') ) + TO (Q'o/TD)

I' = TO [dS total /dt)

donde se ha utilizado para igualar la velocidad de la suma de los cambio de entropia

con d Sotol / dt. Por unidad de masa de fluido que pasa a través de un volumen de

control con una sola entrada y una sola salida.

donde ( A so) y (AsD) son los cambios de entropía del entorno local y de un depósito

Térmico a To, repectivamente.

Semido de Proyector 69

WXNLIU IN EN€PCU

V. Los Hornos Rotatorios Utilizcrdos en la Industria del CementQ

V.l Desarrollo Histórico de los Hornos Rotatorios

El cemento como se conoce hoy en día, tiene actualmente más de 200 años de edad,

"inventado" por el inglés John Smeaton en 1756; se coccionaba en hornos de botella.

El más conocido inventor del cemento Portland fue Joseph Aspdin quién patentó su

proceso de cocción en 1824. El tambikn utilizó hornos de cúpula con una altura

aproximada de 36 pies, un diámetro de 17 pies y una producción de 90 bbl (- 15t) de

carga, cada una de las cuales requería varios días para ser producida. El consumo

de combustible se elevaba al 50% de peso del clinker en carbón, lo que corresponde

a 15500 kJ/kg clinker 1- 3700 Kcal/kg clinker).

En 1880 se da un paso de gran importanc;ia hacia el desarrollo de hornos verticales de

trabajo continuo que permitían una ec:onomía de calor mucho mayor. A partir de

1877 se realizaron experimentos con hornos rotatorios y en 1897 Hurry y Seaman en

América desarrollaron la primer unidad de este tipo capaz de trabajar exitosarnente.

Estos primeros hornos rotatorios fueron hornos vía húmeda con una capacidad

diaria de 50 a 1 O0 toneladas. Su consumo de calor fue muy elevado (aproximadamente

30% del clinker en carbón - 9500 Kj/kg clínker) teniendo una emisión de polvo increible

(m S de un tercio de la producción total). A fin de disminuir el consumo de calor se

instalaron sistemas de cadenas en hornos de vía húmeda con el objeto de mejorar

la transmisión de calor durante el secado. Con el mismo propósito, al lado de los

hornos largos de vía seca se colocaron calderas de vapor para el aprovechamiento

del calor perdido.

Seminono de Proyector 70

LOS HORNOS ROIATOROS EN M YIDUITRW DELCEMENTO VlCENfRU EN ElrfsC.i*

Se requirieron casi treinta años más hasta que pudo lograrse una nueva reducción

sustancial de las pérdidas de energía calorífica debida a una disminución del

contenido de agua del material de alimentación y un mejor intercambio de calor en

la zona de precalentamiento y calcinacirjn. En 1930 el Dr. Lellep (oficial del ejercito del

zar) efectúo un paso importante en esta dirección desarrollando el precalentador de

parrilla transportadora, alimentado con n'ódulos húmedos. Esta a su vez fue adoptada

por Polysius y recibió el nombre de horno LEPOL.

Algunos años más tarde hubo una patente checa de un precalentador de crudo por

ciclón y en 1953, Kloeckner-Humboldt-Delitz S. A. en Alemania instaló el primer sistema

de precalentador de crudo por suspenskjn. A partir de este momento el horno de este

tipo se hizo predominante en razón de la economía de calor que permitía, y hoy en

día, solo en casos especiales se eligen otros sistemas.

Desde el año de 1966 fabricantes de rnaquinaria para la producción de cemento,

especialmente japoneses, han diseñado varios sistemas de hornos precalcinadores

que operan en forma satisfactoria. La calcinación se efectúa ya en el sistema

precalentador donde esta instalado el hogar secundario. De tal forma es posible

diseñar sistemas de hornos con una parte rotatorio comparativamente reducida pero

con una capacidad muy alta superior a 8000 ton/día.

Semincnio de Proyectos 71

LOS HORNOS ROTAIORWS EN LA ItIUUSIRH DE1 CEMENIO *U,€,l~*U fII fIlfP(.IL

V.2 Visión Esquemática de los Distintos Tipos de Hornos y Algunos Criterios para la Selección de Hornos

Para la cocción de clinker existen cuatro tipos de proceso básicamente diferentes,

pero de frecuente aplicación todos ellos:

* El proceso seco, alimentado con harina cruda seca

* El proceso semi-seco, alimentado con nódulos húmedos hechos

de harina cruda y agua

* El proceso semi - húmedo, atimentadc, con nódulos prensado

hechos de una galleta de filtración de pasta

* El proceso húmedo, donde una pasta de material crudo

se bombea dentro del horno

La figura 1 da una visión general de 10s diversos sistemas de hornos rotatorios que

corrientemente se utilizan para la producción de clinker, podemos distinguir dos

grupos principales de sistemas como se muestra en la figura 2.

* Hornos largos con o sin sistemas precalentadores internos.

* Hornos cortos con precalentadores externos, por ejemplo, precalentadores

por suspensión, parrillas o precalentadores de pasta externos.

También existen combinaciones de hornos rotatorios de mediano tamaño con

pequeñas partes precalentadoras.

seminario de Ployeclor I2

LOS HORNOS EUlAIORDS EN LA WDUSlRU DEL CEMENTO N E N i f E b EN ENEPGU

Los consumos de calor específicos típicos que se conocen, demuestran que la

eficiencia térmica de la cocción se ve intluenciada en alto grado por el contenido de

agua del material con el que se alimenta el horno.

El consumo de combustible de los homos de vía húmeda es aproximadamente dos

veces superior al de los hornos modernos con precalentadores por suspensión de

vía seca. Una comparación de la economía térmica lograda con cada grupo de

proceso [seco o húmedo), cuanto m6s irltenso es el intercambio de calor en la zona

de secado (vía húmeda) o de precalentamiento (vía seca), menor es el consumo de

calor.

Seminwio de Provector 73

F i g l. D i v e r e o e sist,enas d e Hornos R o t a t o r i o 8 p a r a l a p r o d u L c c i 6 n de c l i n k e r

m d

al +I m

m .I

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L L

w C

LOS HORNOS ROTAlOROS EN LA INDUSTRIA DEL CEMENTO WENIfRh EN fNEffiU

La selección del proceso de clinkerización se ve influenciada por ciertos factores,

actuales y en futuro:

- Material crudo

* contenido de humedad

* composición

* molturabilidad

* propiedades de filtración de la pasta, etc.

- Instalación de la planta y costos operati,vos

- Requisitos especiales que debe cumplir la cantidad de clinker

(por ejemplo, clinker con bajo contenido de Icali)

- Aspectos relativos a la protección ecoldlgica

-Standard técnico del país, etc.

Los hornos de vía húmeda únicamente pueden ser objeto de discusión como

alternativa en muy pocos casos, por ejemplo, cuando el contenido original de

humedad del material crudo es extremadamente alto, como en Obovig, con más de

30% de agua en la caliza. Pero se puede ahorrar energía en muchos casos filtrando el

material crudo molido en liquido (proceso semi-seco).

Seminario de Proyector 76

LOS HORNOS ROlAlOROJ EN LA INDUSIRIA DEL CEMENTO NGENERU EN ENEPGU

Otra razón para preferir el proceso húmedo era la producción de cemento con un

bajo contenido de lcali (contenido de lcali < 0.6%). En los hornos de vía húmeda

también son más fáciles de controlar los problemas de circulaciones difíciles, solución

de otras posibilidades como el hogar secundario, las instalaciones by-pass, los sistemas

de aire terciarios, etc.. que permiten resolver estos problemas en hornos

precalentadores por suspensión.

En lo que concierne a los costos de instalación, los siguientes aspectos ilustran otra

ventaja de los modernos sistemas de vía seca: menor volumen específico de gas y

una zona rotatorio más corta, las dimensiones de los hornos con precalentadores de

via seca son muy inferiores a las de los hornos de vía húmeda, lo que significa que

una parte considerable de los equipos rrlecánicos no es necesaria.

77

108 HORNOS ROIAIOROS EN LA INDUSlRU DEL CEMENIO rJGEN8ERk fN ENEf f iU

V.3 Hornos Precalentadores de Cuatro Etapas

Este tipo de horno es uno de los sistenms con menor consumo de combustible, se

ofrecen en varias configuraciones con capacidades de hasta 4 500 t/d. La mayor

parte son combinaciones de etapas de Iciclón individuales o dobles por ello los datos

operativos de todos esos sistemas son más o menos los mismos:

consumo de calor especifico q

unidades pequeñas .................... 3 150 ... 3350 kJ/kg clinker

[ - 750 ... 800 kcal/kg clinker)

unidades mayores .................... 3 500 ... 3550 kJ/kg clinker

( - 800 ... 850 kcal/kg clinker)

Temperatura del gas a la salidtr

del horno ................................... 320 ... 350 OC

Volumen del gas a la salida

del horno .................................. aprox. 1 .5 NmVkg clinker

Formación de polvo en el horno con relación a la

producción de clinker .......... 5 ... 1 O %

Caída de presión a lo largo de todo

el sistema ................................. 5 O 0 0 ... 6 O00 N/m2

Cámara de transición

Temperatura del gas en el horno ..... aprox. 1 1 O 0 OC

Temperatura del material .................. aprox. 800 O C

Seminario de Proyectos 78

LOS HORNOS ROlA1ORc)S EN LA INDUSIRIA DEL CEMENTO W X N X R M EN ENLRGh

A la salida del horno, el gas todavía contiene una temperatura suficientemente

elevada como para secar material crudo con un contenido de humedad de hasta un

8% si el molino funciona durante todo el tiempo de operaci6n del horno.

Por esta razón, la temperatura relativamente elevada del gas de salida no puede ser

considerada totalmente como una pérdida, ya que sin ella se requeriría la

instalación de un hogar auxiliar para el secado del material crudo.

La instalación de un sistema de hogares secundarios permite así mismo la

construcción y operación de hornos precalentadores con capacidades superiores

a 8 O 0 0 t/d por línea de producción.

La figura 3 y 4 son esquemas básicos del sistema precalentador convencional de

cuatro etapas (khd) para la cual se usan exclusivamente etapas de ciclón para líneas

de producción de más de 2 O00 t/d, por regla general se instalan dos líneas de

precalentamiento paralelas para evitar que el efecto de separación de los ciclones se

vea reducido a consecuencia del mayor diámetro.

Seminario de Proyectos 79

.

F i g 4. S i e t e n a b P e i c o d e l e i e t e r a p r e c a l e n t a d o r c o n v e n e i o n a l d e c u a t r o e t a p e e

gas de escapu T-990-95Oo C u-1.85-1.55 Nms/Kg cli

etapa I dos ciclones

hlaTina C m d Q des@s de etapa I 910- 930 o c

gas tie escape dejando etapa 111 crudo molido 690- 720 C despu&s de etapa 11

520- 540 C

gas de escape d e j a d o etapa N

820-840 OC

harina cruda despu&s de etapa 111 6 a o - 7 1 0 ~ ~

crudo molido d e p d s de etapa N

810- 880 C

F i g 3. Esquema básico del sistema precalentador-horno

Sis tema de precalentarniento con 4 etapas de ciclones

dosif icacibn

al molino - de crudo

HORNO ROTARIO

zona de ca lc inaci6n n

enfricrdor

Los hornos rotativos son las máquinas más simples dentro de las usuales en la

producción de cemento. El clinker se cocciona en un largo tubo rotatorio a veces

incluso sin ningún otro equipo adicional para la transmisión de calor, por ello. el

intercambio de calor entre el material y el gas es más bien pobre y la economía

térmica de los hornos de cemento de tipo largo es generalmente muy mala en

comparación con la lograda en plantas precalentadoras modernas. L a

producción de polvo puede ser también elevada.

* HORNOS LARGOS DE VIA SECA

Los hornos largos de vía seca existen con o sin equipos de intercambio de calor

internos, como cadenas o creces (a'cero o cerámica). El primer tipo es muy

antieconómico por tener un consumo de calor superior a 5 1 00 kJ/kg clinker (1 200

kcal/kg clinker) y pérdidas de polvo muy elevadas. Su única ventaja podría radicar

en su simplicidad y en su insensibilidad frente a graves problemas de circulación. Las

pérdidas de presión a lo largo de los hornos largos de vía seca oscila entre 300 y

500 N/m2 en función de las instalaciones internas.

Seminario do Proyector a¿

LOS HORNOS ROIAIOPIOS EN LA INDUSlRU DEL CEMENTO MCfNYPk EN ENEffii.4

* HORNOS LARGOS DE VIA HUMEDA

Los hornos largos de vía húmeda han sido las instalaciones de clinkerización más

comunes, pero a causa del alto contenido de agua del material de alimentación, su

consumo alcanza valores más de dos veces superiores al de los hornos modernos de

vía seca. Las posibilidades de disminuir el consumo de combustible es reducir el

contenido de agua de la pasta por 'medio de fluidificadores, por ejemplo carbonato

de calcio, lejía sulfítica, tripolifosfato de sodio, bauxita de desecho etc. Estos

componentes permiten reducir el contenido de humedad de la pasta a un 2530% sin

que ésta pierda su bombeabilidad.

Los problemas de circulación son muy fáciles de resolver porque las zonas de

temperatura peligrosa se encuentran dentro de la parte rotatorio del horno y la

emisión de polvo es alta. En la figura 5 da una visión esquemática de un sistema

de horno de vía húmeda.

Datos promedios para hornos largos de vía húmeda con cadenas y cruces:

Consumo específico de calor ................................................... 5 200 ... 6 300 kJ/kg clinker

( 1 200 ... 1500 kcal/kg clinker)

Temperatura del gas a la salida del horno .............................. 120 ... 220 O C

Caída de presión a lo largo del sistema ................................. 500 ... 1 O00 N/m2

La línea de proceso húmeda más larga del mundo está probablemente instalada

en la planta de Clarksville (U.S.A.) de la empresa Dundee Cement Co., Dundee

(Michigan). El horno tiene un diámetro de 7.6 y una longitud de 232. Su capacidad

diaria es de aDroximadamente 3 600 ton.

Seminario de Proyectos a3

O c o

f4 a Q o O Y m .A

m

LOS HORNOS ROlA10R101 EN LA INDUSlRu DEL CEMEMO WGENER~ EN EHEGU

V.5 Dimensiones del Horno

Las dimensiones de los hornos se determinan enteramente utilizando cifras empíricas y

por comparación con instalaciones existentes. Los principales criterios para el

dimensionamiento de hornos son los siguientes:

* Clinker producido por m3 de volumen del horno

* Clinker producido por sección transversal (m2) en la zona de clinkerización

* Carga térmica por sección transversal en la zona de clinkerización

La figura 6 ofrece algunos volúmenes usuales de los dos primeros criterios para

diversos tipos de hornos.

La carga térmica especifica por seccibn transversal parece ser casi ciertamente o1

factor limitativo para un moderno slstema de horno, porque cierta relación

longitud/diámetro, típica para cada tipo de horno, esta es proporcional a la carga

térmica sobre la superficie del revestimiento interno, lo que es uno de los principales

factores que influyen sobre la vida de los ladrillos. Valores para un horno

precalentador de cuatro pisos: 6 O00 kJ/m2s (5 E+6 kcal/rn2 h).

Los valores limites de todos los tres factore!; no son todavía conocidos cada proveedor

parece tener sus propias reglas para el dirnensionamiento de hornos. Tampoco se han

derivado fórmulas teóricas para calcular el tamaño de un horno sobre una base

analitica. Sin embargo, parece muy probable que los presentes valores de los criterios

de dimensionamiento serán separados incluso por los procesos convencionales.

Serninano de Proyectos 85

F i g 6 . C r i t e r i o s para d i v e r e o e tipos d e h o r n o 6

(1 .0 I

s l r t w I I I I

Velwltrd &I b r u rer./mln. l . 5 - 1.5 1) Z . 0 - 4.0 3) !I 1.0 - 1.5 1.0 - 1.5 1 . 5 - 2. a

l N l h b C l u 3 . 4 3. o - 1. 5 t. 5 - 1. 5 1 - 4.5 3 - 1.5 I

Alre prlurlo O. I o. 2 O. I S O. I 0.1 d l k g c I I I

lrwv Lepol

I I1 - I 4 32 - 4 2 5)

15 - 45 ( 5 - 11

a - s 20 - b0

2 b n 500 -.IO00

1.0 - 2.0 1.0 - 1.0

3.0 - 1.5

1.b 0.9

O. I5 O. I

2.5 - 4.0

115 - I30 75 - 17 15 - 100

LOS HORNOS WIAIOROS EN LA INDUSIRIA DEL CEMfNlO WGENIERU f N fN€K&

V.6 Diseño Mecánico de los Hornos Rotatorios

si bien por un lado un horno rotatorio debería ser diseñado lo más barato posible, Por

el otro lado tiene que ser rígido, y garantizar un desgaste mínimo del revestimiento.

Esta condición puede ser cumplida si la deformación de la carcaza del horno se

reduce a un límite tolerable.

Investigaciones al respecto han demostrado que por lo general se permite una

ovalidad relativa máxima (w/dk) de 0.3% (definición de w = 2 (a-b), siendo 2a y 2b los

ejes principales de una elipse). Esta ovalidad puede ser subdividida en dos magnitudes.

a) Ovalidad del anillo de rodadura llanta debida a fuerzas externas

(valor permitido (w/dk) < 0.2%)

b) Ovalidad de la carcaza del horno debida a deformaciones a causa

de su propio peso en anillos de rodadura sueltos y debida a

temperaturas altas

En consecuencia a fin de mantener la ovalidad del horno dentro de los limites

tolerables deben cumplirse las dos condiciones siguientes:

* los anillos de rodadura deben tener la suficiente rigidez

* la holgura entre las zapatas del anillo y e1 anillo de rodadura

debería ser mínima durante la operación

Es recomendable utilizar zapatas de anillos atornillados, porque estos permiten

adoptar la holgura por debajo del anillo si este ensanchó durante la operación.

Seminario de Proyectos 07

LOS HORllOS ROIAIOROS EN LA IIIDUSIRIA DEL CCMENIO NG€NEW EN ENERGU

V.7 Proveedores de Hornos

La lista siguiente resume los principales proveedores de hornos y sus sistemas (figura 7).

Las designaciones utilizadas son:

W ............... proceso vía húmeda

DC ............... proceso vía seca, precalerttadores de ciclón

DL ............... proceso vía seca, horno largo

DS ............... proceso vía seca, precalentador vertical

Dp ............... proceso vía seca, precalentador ciclón y precalentamiento

G ............... horno precalentador de parrilla

Seminario de Proyectos

F i g 7. Pr o v e e d o r e s d e h o r n o s

Proveedores

A l l i s Chalmers. Milwaukee, Wlsc. F u l l e r Company, Catasauqua. PA.,

2!?i

Hi t r ch l Sh fpbu i l d i ng 6 Eng: Co. Ltd.. Tokyo

Kawasaki Heavy Indus t r ies L td . , Tokyo Kobe Steel L td. , Kobe Mitrubishl Heavy Indust r ies L td. , Tokyo Mitrui Shipbu i ld ing I Engineering Co. Ltd. Nihon b k a n Kabushiki Kaisha Suitoao Shlpbu i ld lng I Machinery to . Ltd.

I r h i k ¿ ~ a . j i ~ - H ~ : i ~ H.!. L?d. (IHI) . Tokya

Evroeci Bih le r -H i rg GmbH, Braunschweig . Creusot-Loire Entrepr lses, Par is f i ve r -Ca l l Babcock, Par is F.L. k l d t h I Co. AS, Yopenhagen 1010 Indus t r iean l rgen AG tlraboldt-WedagD ~ l n / B o c l m Po ly r iu r AG, Heubeckln Pi'erov kch lne ry . P temv YfE lewntanl~genbau, Dessru

USA USA,

Japan Japan Japan Japan Japan Japan Japan Japan

BRD F r r n c t France Denmark BRD BRO CSSR DDR

L i cenc ia de (homo t i p o )

Po l ys ius ( 6 )

f u l l e r Huaboldt Wedag H iag Po l ys ius Creusot -Lo l re F u l l e r Prerov

Hlaabol d t (NI

Tipos fabricados

* M :

oc. DP M. OP Dc. OP DC. DP M: M: 0s

LOS HORNOS ROlAlOROS EN I A INDUSlRU DEL CEMENTO NGEHLIh IN ft4fRC.U

V.8 Enfriadores

V.8.1 Generalidades

Después de haber alcanzado una temperatura máxima aproximadamente de 1450 'C.

el clinker se enfría hasta su temperaturcr de descarga, la cual depende del sistema

de enfriado elegido. A fin de proteger lu zona de descarga del horno, normalmente

se intenta lograr una primera reducción de la temperatura del material y en el extremo

más bajo del horno. El clinker sale entonces del tubo rotatorio a 1 300 ... 1 400 "C para

caer sobre un enfriador de parrilla, a 1 200 O C para ser tratado en un enfriador de

satélites.

El equipo de enfriamiento tiene dos cometidos principales:

( 1 ) Enfriamiento del clinker granulado para

(a) evitar la formación de cristales largos de periclasa que

podrían evitar tener mala influencia sobre la calidad del clinker

(b) facilitar su manejo y almacenamien8to

(2) Recuperación del calor irradiado por 8 1 clinker calentando el aire (de combustión)

secundario

Seminario de Proyector 90

La eficiencia térmica del enfriador puede definirse como

contenido de calor del aire secundario - -

contenido de calor del clinker en la descarga del horno

con los valores de calor relativos a la temperatura del aire ambiente. Para algunos

casos de enfriadores de parrilla utilizando más tarde una parte del aire de escape del

enfriador para el secado de materia prima o carbón, el numerador de la fórmula

precedente puede ser corregido por el contenido de calor. La eficacia térmica usual

para enfriadores convencionales oscila de 0.63 y 0.74.

En la figura 1 se muestra una visión esquemática de los distintos sistemas de

enfriadores. El principio operativo de un enfriador tubular es muy similar al de un

horno rotatorio. El material y el aire de enfriamiento se conducen en contracorriente

transversal que incrementa el coeficiente de transmisión de calor. En los enfriadores

de parrilla, el clinker forma un lecho que se transporta a lo largo de la parrilla por

medio de distintos mecanismos. El aire dts enfriamiento es insuflado por ventiladores

desde debajo de la parrilla y atraviesa el lecho de clinker normalmente en

contracorriente.

Sólo una parte de este aire puede utilizarse como aire secundario, el resto tiene

que ser despolvado y expulsado al exterior, a no ser que pueda aprovecharse para

otros fines (por ejemplo, calefacción de edificios, precalentamiento de combustible,

preparación de agua caliente, secado de materia prima o carbón) .

Sernlnarlo de Proyector 91

Tipo del trans- porte del clinker

Sistema de enfrianlento

Por rotación de un

Enfriadores tubulares

Sistema de tran- ferencia de calor

Accionamiento del enfriador

I

I I Flujo contracorriente transversal

I

Movimiento 1 inear

Enfriadores de parilla

I en

contracorriente

I

v Enfriador vertical

w contracorriente

I I

I I I I acciona- lalento ro-

propio movimiento al ternati- parrilla al tatorio Lfneas de placas de cadena de conectado

horno movil vo A

I I I I

parilla

I

I I I 1 I de enfriador

Enfriador Enfriador Enfriador Enfriador Enfriador Enfriador Enfriador Enfriador Enfriador rotatorio

oscilante etapas "Eolllbi" horizontal inclinada en cadena satdlites vertical con parilla de dos tipo de parilla de parilla de parilla de-

Fig. 1: Sistesla.; principales de enfriadores 'en parte flujo contracorriente transversal

LOS HORNOS R O l ~ l O P U S EN LA INDUSTRIA DEL CfMfNlO w c f w n m tu EUFPGU

V.8.2 Enfriadores de parrilla

El diseño de enfriadores de flujo transversal tenía como objetivo lograr velocidades

iniciales de enfriamiento muy elevadas haciendo entrar en contacto el clinker

caliente con el aire frío de la temperatura ambiental.

Hasta la fecha se han desarrollado diferentes tipos de enfriadores de parrilla y la

mayoría de ellos requieren el mismo volumen de aire enfriante (1.7 ... 2.5 NrnVkg clinker).

En el moderno horno rotatorio de proceso seco, 50% del aire, como máximo, se utiliza

como aire de combustión, el resto sale 'del enfriador como aire de escape. AI objeto

de economizar gastos en los equipos de despolvoramiento, los sistemas han sido

diseñados de modo que el aire proced'ente de la parte fría del enfriador recircule y

pueda ser reutilizado. Este aire circulante puede ser enfriado por aire/intercambio de

calor y aire a fin de evitar un sobrecalentamiento de las placas del enfriador.

Debido a su mayor consumo de combustible, los procesos de vía seca requieren

mayor volumen de aire secundario y por ello no se necesita despolvoreur tanto aire

de enfriamiento. L a eficacia del enfriador puede estimarse a 0.84.

Seminario de Proyector 93

LOS HORNOS RO1AIORK)S f N L A INDUSIRIA Dfl CEMENTO INGLNER~ EN ENEWGW

ENFRIADORES DE PARRILLA TIPO CADENA

Los enfriadores de parrilla tipo cadena tienen aspecto similar al de los sistemas

precalentadores de parrilla. A causa de la mala distribución y un movimiento más

bien pobre del clinker sobre la parrilla, la temperatura final y la eficacia térmica son

generalmente peores que los enfriadore:s de movimiento alternativo. Por ello se ha

tratado de mejorar el movimiento del clinker sobre la parrilla por medio de aire

pulsante, el cual es insuflado desde debajo de la parrilla por medio de aire pulsante

por un ventilador de alta presión. Una gron ventaja de este tipo de enfriador radica

en sus bajos costos de desgaste. Aprovechando los paros del horno, las placas rotas

de la parrilla pueden reemplazarse en sólo pocos minutos.

Los requerimientos de aire de enfriamiento corresponden al promedio de los otros

enfriadores de parrilla (1.8 ... 2.4 Nm3/kg clinker) y la temperatura de salida del material

oscila entre I20 y 150 “C. Las mayores unidades alcanzan capacidades de 3 500 t/d,

mientras que la carga específica usual de clinker para fines de diseño se eleva

a 34 t/m2 d.

ENFRIADORES DE MOVIMIENTOS ALTERNATIVOS

Este tipo de parrilla consiste en hileras paralelas de placas de acero colado; cada

hilera se mueve alternadamente hacia adelante y hacia atrás a fin de transportar el

clinker a lo largo del sistema. Como es habitual en los enfriadores de parrilla, la

carcaza por encima de la parrilla está revestida con ladrillos o refractarios fundibles. El

lecho de clinker tiene un espesor de 200 a 800 mrn.

Seminario de Proyectos 94

Enfriador de parrilla tipo cadena

Enfriador de parrilla -. ””

I I ’ 1

I 1 I U

inclinada

ENFRIADORES DE PARRILLA INCLINADA

Históricamente, este tipo de parrilla es el primero que se desarrotlo, hoy día, todavía

parece que con éI se logro un compromiso muy bueno entre todos los factores que

influyen el proceso de enfriamiento. Sobre su parrilla inclinada de movimiento

alternativo se obtiene la mejor distribución de clinker, lo que podría ser la principal

razón de su buena eficacia térmica.

En el transcurso de los años, su inclinación original se ha ido reduciendo de 10 OC a 3 o

5 "C con el objetivo de evitar los efectos de fluidización y de reducir la altura de

construcción. Para unidades de gran dimensión ( hosta 2 o00 t/d) se instalan dos o

más parrillas en serie, cada una disponiendo de su propio mecanismo de

accionamiento. Con el mismo volumen de aire de enfriamiento que los otros

enfriadores de parrilla se puede lograr una temperatura final del clinker de 85 a 25 "C.

Los valores típicos de carga de superficie pueden calcularse a

aproximadamente 40 t/m d.

ENFRIADOR DE PARRILLA HORIZONTAL

Generalmente en este tipo de enfriador pueden economizarse algunos costos de

construcción debido a su poca altura. Sin embargo, los costos de mantenimiento

son normalmente algo más elevados a causa del mayor desgaste a que están

sometidas las placas de la parrilla. El movimiento del clinker sobre la parrilla es más bien

pobre. Ello puede conducir a la formacidln de terrones oglutinados y a que localmente

se reduzca la permeabilidad para e1 aire. Estos efectos pueden causar

sobrecalentarnientos y disminuir la eficacia de enfriamiento. Actualmente existen en

funcionamiento unidades de parrillas horizontales gemelas en una capacidad de hasta

2 O00 t/d y cargas específicas aproximadas de 35 t/m2 d. La temperatura mínima de

salida del clinker es de 100 y 140 "C con un volumen de aire específico elevado de 2.0

a 2.5 Nm3/kg clinker.

Seminario de Proyector 96

Simbología:

20, 2b ................. ejes principales de una elipse

di ........................ diámetro interno del horno

dk ...................... diámetro externo del horno

dr ...................... diámetro del anillo de rodadura

I ........................ longitud del horno rotatolio

&p .................... pérdida de presión a lo largo de todo el sistema del horno

q ..................... consumo de calor especko

dd ................... contenido de humedad

w .................... 2 (a-b) : ovalidad absoluta

Semlnorto de P~oyectos 9 7

MCfNERh fN ENERGLA

~ -~ ~~~~ ~ ~~ ~~ ~

VI. Prowesta del Awovechamiento de Combustibles Alternos

VI.1 Relación Combustóleo-Combustibles Derivados de Residuos (Combustible Alterno)

en el Proceso de Combustión

Un factor importante para la reducci6n de costos de operación es el uso de

combustibles alternos o combustibles de residuos. El horno cementer0 es una máquina

térmica muy eficiente que al mismo tiempo se puede usar como un seguro

incinerador de residuos, sin originar emisiones adicionales, ni sólidos como

subproductos de combustión.

Las ventajas que proporcionan los combustibles alternativos es que pueden

reemplazar desde un 20% hasta un SOX del total de energía calorífica necesaria

para la producción. Estos ser6n tan útiles como el combustdeo dependiendo de su

poder calorífico; pero debido a su procedencia la composición de carbono,

hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, azufre y agua los hace muy difíciles de describir.

Los combustibles alternos dan un ahorro sobre los combustibles derivados del

petróleo, pero la cantidad de humedad representa hacia el sistema un factor de

importancia y de cuidado en su tratamiento,

Seminono de Proveclor va

P11(3pUESII DEL APPOVECHAMIENIO DE COMOUSI~LES ALTERSOS N G f N E R h f N E N f f f i U

EL COMBUSTOLEO

Los derivados del petróleo son excelentes combustibles para generar energía y fuel-ra.

siendo los más populares los combustibles líquidos y los de mayor utilización.

El combustóleo o aceite residual, es como su nombre lo indica, el material que queda

después de que todos los productos livianos y destilables han sido sacados del petróleo

crudo. Según los requerimientos de mercado de la refinería, puede ser espeso, grueso

o liviano.

El residuo que se obtiene al refinar el petróleo es un líquido negro viscoso y sin

sólidos, denominado combustible pesada (combustóleo), y es el que se emplea para

quomarso en los hornos de cemento. Exists una amplia varloducl do potrbleo, cor1

características físicas y químicas diferentes, lo cual da lugar a distintas condiciones de

quemado.

EL COMBUSTIBLE ALTERNO

Cualquier combustible o residuo indusirial que no sea ya utilizado en proceso,

puede ser usado como un combustible alternativo, ya que se puede recuperar su

energía térmica, así como destruirlos eficientemente.

Se usan los residuos que tienen un alto p'oder calorífico, son inflamables y tienen bajos

niveles de cloro y metales; además de un bajo contenido de agua. Los combustibles

alternativos contribuyen al ahorro de los combustible derivados del petróleo, ya que

éste es un recurso no renovable y hacen la fabricación del cemento un proceso más

eficiente y menos costoso.

Seminono de Proyector

El poder calorífico inferior de un combustible alterno es por lo regular menor que el

poder calorífero del combustóleo debido a que el combustible alterno contiene

mayor cantidad de agua, por lo tanto, se requiere por litro de combustóleo más de un

litro de combustible alterno.

La sustitución en litros de combustible alterno se proyecta en un aumento del por

ciento de agua en el sistema, provocando que esas moléculas de agua tengan un

cambio de fase (reacciones endotérmicas), lo cual hace que la temperatura de la

flama se disminuya, proporcionando menos energía térmica la cual deber ser

sustituida por combustóleo, y no por combustible alterno ya que éste aumentaría el

por ciento de agua y bajaría nuevamente la temperatura de la flama.

Estas moléculas de agua, incrementan los gases productos de combustión,

disminuyendo la transferencia de calor por convección y aumentando la velocidad

de circulación de los gases; por lo que se tiene un aumento en las pérdidas de calor y

una menor estabilidad del sistema.

La dosificación del combustóleo y del combustible alterno se realiza en forma

independiente, y a que el quemador tiene dos ductos con atomizadores individuales,

de manera que el sistema contiene a 'ambos combustibles, la humedad total como

producto de ambos, tanto al inicio como al final.

Seminario de Proyectos IM

Para disminuir las pérdidas de energía térmica en el horno, se propone una

metodología para mejorar y tener una estabilidad constante en el sistema, por lo se

tienen los siguientes pasos a realizar:

1 .- Características de los combustibles:

a) combustóleo

b) combustible alterno

2.- Determinación del poder calorífico inferior de ambos combustibles, utilizando el

método de obtención a volumen constante.

3.- Por ciento de sustitución del combustible alterno requerido por el sistema, en

función del poder calorífico inferior y de Io humedad.

4.- Determinación de la temperatura de la flama del sistema, utilizando combustóleo

(a 0.2 % de humedad) inicialmente, y posteriormente en un sistema combustóleo -

combustible alterno.

5.- Obtención de las pérdidas en la temperatura de la flama, y el exceso de

combustóleo adicional requerido para estabilizar a1 sistema.

Seminorio de Proyectos 101

PROPUESTA DEL APROVECIIAMeNlO DE COMBUSIWES ALTERNOS IGEHERU fe' EWEOGU

V1.2 Cálculo de la Relación Combustóleo-Combustibles Derivados de Residuos

(Combustible Alterno)

El siguiente cálculo muestra la manera de encontrar la sustitución de combustible

alterno tomando como sugerencia un máximo de 1% de humedad en el sistema.

además del exceso de combustóleo adicional para corregir la caída de la

temperatura de flama.

Datos de los combustibles:

COMBUSTOLEO ALTERNO

PCS = 9945.0287 kcal/kg PCS = 8580.3500 kcal/kg

PC1 = 9421.1 509 kcal/kg PC1 = 7933.871 3 kcal/kg

% Hz0 = 0.20 % H20 = 7.783

DENSIDAD = 0.998 DENSIDAD = 0.930

1 kg = 1 .O02 It 1 kg = 1 .O75 It

[a) la cantidad de combustible alterno requerido por su poder calorífico inferior

respecto al poder calorífico inferior del combustóleo es:

1 kg-alterno ....... 7933.8713 kcal

X kg-alterno ....... 9421.1509 kcal

X = l . 1875 kg-alterno / 0.930 = 1.2769 It-alterno

por lo tanto, se requieren 1.2769 litros de combustible alterno por litro de combustóleo.

Seminario de Proyector 102

PROPUESTA DE1 APROVECHAMIENIO DE COMIIUSWLES A U E W S IIGENER~ EH INERGh

(b) a partir del 1.0 % de humedad total en el sistema, se determinará el valor

correspondiente de sustitución de combustóleo por combustible alterno (%&It):

(1 * (%HzOgstemo)) - (%H~Ocomburt61eo)

yo salt = ...................................... - "" """

( ( (X*(%H~0a1terno))-(%H20combur16*o))-(%H~~s~ste~a)*(~-~')) /~00

(1 * 1 ) - ((3.2) yo salt = ~ - - 8.5105

( ( ( 1.2679*7.783) - 0.2) - ( 1 * (1.2679 - 1)) )/1 O 0

por lo tanto, se requiere de 91.4895 % de combustóleo y de 8.5105 % de combustible alterno.

Semincnio de Proyectos I03

PROPUESIA DEL APROVPCHAMENIO DE COMBUSIBLES ALIERNOS wzfNESI* fu f n f a

Para encontrar la temperatura de la flarrla será de acuerdo al método anteriormente

propuesto, por lo que la reacción de combustión es completa, con las temperaturas

del combustible a 165 "C y con 1 O % de exceso de aire primario a 25 "C. Donde se ha

encontrado que la temperatura máxima de los gases productos de combustión es a

1910.96"C.

Por lo tanto, para encontrar la caída de temperatura de la flama, hay que encantrar

primero la temperatura de la flama con el por ciento de humedad total en el

sistema por la forma anteriormente descrita, después, se procede de la siguiente

manera:

1 .O02 litros combustóleo (a 0.2 9kH20) = 11 91 0.96 "C

1.002 litros combustóleo (a 1 .O %H20) = 'I 905.28 "C

la caída de temperatura de la flama = 5.68 "C

ahora:

1 .O02 litros de combustóleo = 1 910.96 O C temperatura de la flama

X litros de combustóleo ... 5.68 "C temperatura de la f1am.a

X = 0.0029783 litros de combustóleo adicional por litro de combustóleo utilizado.

Seminario de Proyectos 1 04

PROPUESIA DEL APROVECHAMIENTO DE CoMBUsTl8LPS ALlERNOS NGENERk EN ENEffiU

Si el sistema ahora requiere en kcal/litro un flujo de 80 litros/minuto de combustible, el

91.4895 7, es combustóleo y el 8.5105 % es, combustible alterno, que equivale a:

80 It/min * 0.9 1 4895 = 73.1 9 1 6 litros/rninuto de combustóleo

80 It/min * 0.085105 = 6.8084 litros/minuto de combustible alterno

el cálculo de combustóleo requerido para recuperar la temperatura de la flama es:

el exceso de

combustóleo = 73.191 6 * 0.0029783 = 0.218 litros/minuto

el flujo real

de combustóleo = 73.1916 + 0.218 = :73.4096 litros/minuto

De esta manera, el aumento de combustóleo estabiliza la temperatura de la flama

por el 1 .O % H20 total en el sistema, aún con el 7.783 % Hz0 contenido en el combustible

alterno.

Seminario de Proyecios 105

PROPUESTA DEL APROVECHAMIEN10 DE COMBUSTIBLES ALTERNOS LIGENlfRh fN FNfsClU

Asimismo, la energía que es liberada por el combustible (combustóleo o combustible

alterno) y la transferida o absorbida entre los gases productos de la combustión y la

harina (por convección) son dependientes de la temperatura de los gases a la salida

del horno, por lo que se puede calcular la cantidad de calor útil en la producción del

clinker (si la temperatura de los gases es menor a la temperatura de flama ) o la

cantidad de calor absorbida por los gases si estos fuesen extraídos del horno a una

temperatura mayor a la temperatura de flama.

Si la temperatura de los gases son extraídos a I O 0 0 "C, el calor es calculado de la

forma:

Q = (C (Ni * (A H"f))i.productos - C (NI * (A Hot))i.reactivos) +

( 2 : ( N I * (hl - h298))I,produclo% - (Z: (NI * ( h - h298))1.~20.~.reoct1vor) -

(X (NI * (hl - ~ZPB))~.OZ.N~.~~~C~IVOS)

Para el combustóleo se tiene que:

Q = 469 740.39 kcal/kmol * ( 1 kmoV94.4 kg) = 4 976.0365 kcal/kg combustible

Q = 4 976.0365 kcal/kg * ( 0.998 kg/lt) = 4 966.0844 kCal/ltcombustible

Para el combustible alterno:

Q = 298 296.694 kcal/kmol * ( 1 kmoV90.72 kg) = 3 288.1056 kcal/kg combustible

Q = 3 288.1056 kcal/kg * ( 0.93 kg/lt) := 3 057.9382 kcal/lt combusllble

Seminorio de Proyectos I O 6

PROPUESTA DEL APYOYECHAMIFNIO DE COMBUSTIBLES ALIERNOS WCEWYRU EN E I B f f i l A

Observación 1

A continuación se muestran las salidas en pantallas del programa elaborado para el

cálculo de la relación combustóleo-combustible alterno, considerando el flujo de

combustible requerido, de la humedad total en el sistema [debido a que el combustible

alterno contiene mayor cantidad de Ihumedad respecto al combustóleo), de sus

temperaturas, de la cantidad en exceso de aire primario (y su temperatura) y por último

de la temperatura de los gases a la salida del horno; resolviendo el problema de la

relación propuesto anteriormente.

El procedimiento para el manejo del programa se da de acuerdo a los siguientes pasos:

PASO 1:

Teclee RELACION y oprima ENTER para iniciar el programa

PASO 2:

L a primer pantalla muestra la utilidad del programa, y nombres del autor y asesor del

diseño del programa, por lo que se tendr6:

pantalla ## 1

ESTE PROGRAMA LE PERMITE CONOCER LOS PODERES CALORIFICOS SUPERIOR E INFERIOR, EL POR CIENTO DE SUSTITUCION DEL COMBUSTIBLE ALTERNO Y EL EXCESO DE COMBUSTOLEO A PARTIR DE LA HUMEDAD TOTAL EN UN SISTEMA COMBUSTOLEO - C. ALTERNO

ELABORADO POR: FABIAN DOMINGUEZ CAMPOS ASESORADO POR: FIS. ALEJANDRO VAZQUEZ R. SEMINARIO DE PROYECTO 11, ING. EN ENERGIA

Seminarlo de Provector IO7

PROPUESTA DEL APROVECHAMIENTO DE CoMBUsTI0US ALlfRNOS INGENERU EN ENEffiU

PASO 3:

La segunda pantalla muestra la solicitud de la dirección de salida de resultados, y a

sea en pantalla o para imprimirlos, si desea imprimir tendrá los resultados también en

pantalla.

pantalla ## 2

Dirección de salida de resultados

Oprima (P) para pantalla

Oprima (I) para imprimir

Serninono de Provecios 108

PROPUWA DEL APROVUCHAMPNIO DE COMBUSWLEI ALl fRWS NGfNMh LNENfRdA

PASO 4:

La tercera pantalla inicia solicitando l o s datos del combustóleo y del combustible

alterno [poder calorífero superior, densidad, humedad ,azufre), el flujo de combustible

requerido y la humedad total en el sistema, y por último, las temperaturas de los

combustibles, cantidad y temperatura del aire primario así como la temperatura de los

gases a la salida del horno. Todos estos datos son requeridos para el problema que se

quiere resolver:

pantalla # 3

Para este problema, la pantalla completa [con todos los datos) será:

Datos del combustóleo Datos del combustible alterno

PCS (kcal/kg) = 9945.0287 PCS (kcal/kg) = 8580.55 densidad (gr/ml) = 0.998 densidad (gr/ml) = 0.93 humedad (X) = 0.2 azufre ( W ) = 0.5 (propuesto) azufre (%) = 4.4 humedad (730.5) = 7.783

Flujo de combustible requerido (Wmin) = 8 0 valor de la humedad total en el sistema (%H20-combustóleo < WH20-sistema < XH2O-alterno) = 1

' Datos para la reacción de combustión

temperatura combustóleo (O a 200 "C) =: 165 temperatura c. alterno (O a 200 "C) =: 25 cantidad de aire primario ( W ) =: 10 temperatura aire [O a 400 "C) =: 30 temperatura gases de salida (O a 1800 "C) =: l o 0 0

PARA BORRAR VALORES USAR BARRA ESPACIADORA O DEL

'-minado de Proyectos 109

P W U E S I A D E L APROVECHAMIENIO DE COMUJIT~LU ALIfRNOS WGENEIU EN fNEffiU

PASO 5:

La cuarta pantalla muestra los resultados calculados para los combustibles (poderes

caloríficos, humedad de cada combustible, energia liberada o absorbida), así como los datos del sistema. Para el ejemplo propu'esto que se encuentra por la pantalla # 4.

Por último, le sugiere si desea cálcular otros datos, donde empezaría nuevamente

desde el paso número 3. Los resultados impresos estan dados por la pantalla # 5.

pantalla # 4

Datos del combustóleo

PCS = 9945.0287 k

Datos del combustible alterno

cal/kg PCS = 8580.5500 kcal/kg = 9925.1386 kcal/lt = 7979.91 15 kcal/lt

= 9402.3086 kcal/lt = 7378.6863 kcol/lt = 0.2000% HUMEDAD = 7.7830 %

= 4966.1 1 14 kcal/lt = 3057.9382 kcal/lt

PC1 = 941 1.9681 kcal/kg PC1 = 7934.071 3 kcol/kg

HUMEDAD ENERGIA LIBERADA = 4976.0635 kcal/kg ENERGIA LIBERADA = 3288.1056 kcal/kg

DATOS DEL SISTEMA

HUMEDAD TOTAL = l .m SUSTITUCION DE ALTERNO = 8.4561 CAIDA DE TEMPERATURA = 5.6815 ADlClON POR LT DE COMBUSTOLEO = 0.00298 FLUJO REQUERIDO DE COMBUSTIBLE = 8O.oooO FLUJO DE COMBUSTOLEO INICIAL = 73.2351 FLUJO DE COMBUSTIBLE ALTERNO = 6.7649 FLUJO DE COMBUSTOLEO REQUERIDO = 73.4533

% % O C

% It/min It/min It/min It/min

Seminario de Proyectos I10

pantalla # 5

Datos del combustóleo

PCS = 9945.0287 kcal/kg

PC1 = 941 1.9681 kcal/kg = 9925.1386 kcal/lt

= 9402.3086 kcal/lt HUMEDAD = 0.2000% ENERGIA LIBERADA = 4976.0635 kcal/kg

= 4966.1 1 14 kcal/lt

Datos del combustible altern

PCS = 8580.5500 kcal/kg

PC1 = 7934.071 3 kcal/kg = 7979.91 15 kcal/lt

= 7378.6863 kcal/lt HUMEDAD = 7.7830 % ENERGIA LIBERADA = 3288.1056 kcal/kg

= 3057.9382 kcol/lt

DATOS DEL SISTEMA

HUMEDAD TOTAL SUSTITUCION DE ALTERNO CAIDA DE TEMPERATURA ADlClON POR LT DE COMBUSTOLEO FLUJO REQUERIDO DE COMBUSTIBLE FLUJO DE COMBUSTOLEO INICIAL FLUJO DE COMBUSTIBLE ALTERNO FLUJO DE COMBUSTOLEO REQUERIDO

= 1 .m = 8.4561 = 5.6815 = 0.00298 = a 0 . m = 73.2351 = 6.7649 = 73.4533

% % "C

% It/min It/min It/min It/min

Seminario de Proyector 111

~~ ~

VII. Conclusiones

El ahorro y el aprovechamiento de energía en un horno rotatorio para la producci6n

de clinker ha tomado cada día mayor importancia debido al consumo de combustible,

por lo que ha sido necesario obtener y mantener un sistema lo más eficiente posible.

Para controlar dicha eficiencia, es necesario realizar balances de energía y de exergía

para estimar las pérdidas y ganancias de calor que habría dentro del horno. La

programación y realización de dichos balances requieren de planeación. de tiempo y

de los medios necesarios para llevarse a cabo, por lo que solamente se proporcionan

en este trabajo las herramientas necesarias (limite de la frontera, energías de entradas y

de salidas y la forma de cuantificarse), ya que la falta de datos ha limitado su

realización así como la creación práctica de programas para ser utilizados por

COrnpUfutJoru!,.

Debido a que se desea aprovechar con eficiencia la energía útil que proporciona un

combustible, se ha desarrollado la forma de cuantificar el poder calorífico inferior de

combustibles líquidos, a partir de tres variables (poder calorífico superior, por ciento de

humedad y densidad), con ello se desea utilizar los valores teóricos para obtener una

dosificaclón más justificada de combustible, con la ventaja de que este método es

utilizable para el combustóleo como para combustibles alternos; con la realización del

programa para computadora, se puede determinar dichos poderes caloríficos solos o

en mezcla, y a que los combustibles alternos pueden ser una mezcla de varios líquidos

para su composición final.

Una vez encontrada la cantidad de energía útil que proporciona el combustible, se ha

determinado utilizando las condisiones reales de operación, la temperatura de la flama

máxima que los gases productos de la combustión alcanzarían si todo el calor

generado fuese absorbido por ellos, tomando como referencia a1 combustóleo ya que

el contenido de humedad es menor al que con,tiene un combustible alterno.

I I1

CONCLUSONES MC.6HERh EN ENERGU

Esta temperatura nos servirá de referencia para satisfacer la temperatura interna en el

horno para la producción de clinker, ya que un combustible alterno puede ser pobre

en su poder calorífico y rico en humedad el cual disminuiría la temperatura de la flama

y aumentaría el consumo específico de energía.

Debido a que los gases productos de la combustión transfieren su energía por

convección a la harina para la produccihn de clinker, se ha determinado la cantidad

de energía que se transfiere a partir de la temperatura de salida del horno,

encontrando que a menor temperatura de los gases habrá mayor transferencia de

energía.

Para resolver este problema en forma práctica se ha desarrollado un programa por

computadora con el propósito de encontrar la temperatura de la flama máxima y la

energía liberada (o absorbida según sea el caso), de manera de utilizar una cantidad

mínima de datos y las condiciones reales de operación.

Con la realización de este programa se podrán determinar las tendencias de la

temperatura de la flama y la energía liberada si se tiene la modificación de una

variable, es decir, ya sea en la temperatura del combustible, la cantidad en exceso de

aire primario así como en su temperatura y en la temperatura de los gases a la salida

del horno. De esta manera, se desea utilizar la energía con mayor eficiencia para

estabilizar el sistema.

Debido a que en el combustible alterno contiene una cantidad mayor de humedad

respecto al combustóleo, servirá para estimar la temperatura de la flama que

alcanzará y si esta se alteraría al sistema, ya que el tener una temperatura de los gases

a la salida del horno mayor a la temperatura de la flama significa que dichos gases

absorben energía lo cual se estaría procediendo en forma contraría al proceso y habrá

una caída en la eficiencia del sistema.

Serninorio de Provectos

~~

113

CONCLUSONES NGfNElM En ENEsGI*

La cantidad de humedad dentro de un combustible alterno es mucho mayor a la que

contiene el combustóleo, y si el poder calorífico superior es también variable, estos dos

parámetros harán que el por ciento de sustitución de combustible alterno sea menor y

que el por ciento de humedad en el sisterna se incremente, por tal motivo, la propuesta

de aprovechamiento del uso de combustible alterno proporcionará el por ciento de

sustitución si ambos combustibles forman al sistema.

El programa por computadora integra (3 los dos programas anteriormente descritos,

utilizando además la cantidad de flujo requerido de combustibles y del por ciento de

humedad total en el sistema, con la sugerencia de dar los intervalos podrá seleccionar

y optimizar el proceso (de acuerdo a la cantidad de humedad), para evitar que se

incremente la cantidad de vapor de agua y enfríe la temperatura de la flama en el

interior del horno.

Una vez encontrada el por ciento de sustitución de combustible alterno, se ha logrado

determinar la caída de temperatura de 10 flama, la cual para ser corregida se tendrá

que aumentar el flujo de combustóleo y no el flujo de combustible alterno, ya que este

aumentaría m6s la humedad en el sistema y m6s la caída de la temperatura de la

flama, por lo tanto, se encontró el factor de corrección para la cantidad de flujo real

en el combustóleo, la cual puede ser muy pequeña pero significa una perdida en su

economía.

El programa propuesto servirá para modificar las variables y observar las tendencias del

por ciento de sustitución de combustible alterno para utilizar flujos reales en ambos

combustibles, con el propósito de optimizar y aumentar la eficiencia del proceso de

combustión. El tener el por ciento de sustitución de combustible alterno más definido,

hará de éste, un sustituto muy importante de combustibles no renovables del petróleo,

mejorando la economía y evitando el mal uso de esos residuos industriales que alteran y

contaminan al medio ambiente y la salud del hombre.

Serninodo de Proyectos 1 1 4

A P E N D I C E S

Seminario de Proyector

APENDCE A MXNERh EN ENfRGU

A.l Poder Calorífico de los Combustibles Líquidos

La característica más importante de un combustible es el poder calorífero, que

consiste en la cantidad de energía térmica que es capaz de entregar un combustible

al ser quemado. Cuando los combustibles reaccionan con el oxígeno, el hidrógeno

forma agua si los productos de combustión están calientes (arriba de unos 52 "C), esta

agua es vapor; si los productos son enfriados hasta temperatura atmosférica normales,

el vapor de agua se condensa, o por lo menos en gran parte, y el vapor se vuelve

líquido.

Durante la condensación cede el calor de evaporación, observemos que puede

haber por lo menos dos valores de poder calorífico en el caso de combustibles que

contienen hidrógeno; el poder calorífico superior (PCS), cuando se condensa el agua

formada del combustible, y el poder calorífico inferior (PCI), cuando el combustible se

quema de modo que el vapor no se condensa.

El poder calorífico se determina con la bomba calorímetrica (idealmente es una

. cámara rígida de volumen constante), de uso normal en el caso de combustibles

líquidos y sólidos, el combustible se quema totalmente de tal manera que los productos

regresen a la misma temperatura que los reactivos iniciales. La extracción de calor

requerida por unidad de masa de combustible se mide con mucha exactitud.

En la práctica, el poder calorífico inferior es el que mejor representa las condiciones

industriales, es decir, el valor real de un combustible debido a que las reacciones de

combustión prácticas generalmente generan vapor como producto de combustión.

La diferencia entre el poder calorífero superior e inferior es que aumenta (el PCS) con

el contenido de hidr6geno respecto a la masa molecular total del combustible.

Seminario de Proyectos It6

APENDKE A NGENlfd4 €N LN€RG!A

A.2 Determinación del Poder Calorífico Inferior de Combustibles Líquidos a Volumen

Constante

Para conocer el valor del poder calorífico superior experimentalmente se realiza en

una bomba calorímetrica, a continuación se justifica la forma de determinarlo.

En un sistema cerrado de volumen constante (un calorímetro de bomba) se coloca

una pequeña cantidad de agua para saturar los reactivos con agua, luego, cuando

los productos se han enfriado de nuevo hasta la temperatura estándar de 25 'C. el

agua formada por la combustión se condensa y se obtiene el poder calorífico superior.

La energía total almacenada inicialmente es la energía interna sensible de los

reactivos, U",, más la energía química ECluirn cuya magnitud es desconocida y no se

requiere. Después de la combustión y por enfriamiento hasta la temperatura estándar,

la energía acumulada en el sistema es UoP, energía interna de los productos. No existe

trabajo, de modo que la energía que cruza la frontera consiste sólo en calor Q, un

valor particular representado por el símbolo pcov = -uorp. La disminución de la

energía

almacenada es igual a la energía que sale del sistema, por Q = Et + W, o sea:

La magnitud de pcov es todo lo que se obtuvo de la prueba.

Si el agua se condensa después de la combustión se aplica el poder calorífico

superior (pcs) a volumen constante. Si el agua no se condensa, como no sucedería

en la combustión adiabática. se utiliza el poder calorífico inferior (pci) a volumen

constante, la cual se obtiene por sustracciin del cambio de energía interna durante la

evaporación del agua a la temperatura de prueba.

Seminario de Proyectos 117

APENDCE A WGEN€R* EN ENfffiU

Sea M. (kg/kgcomb) la masa de agua formada durante la combustión; entonces el

valor de la energía es u" = 550.51 kcal/kg a 25 "C. por lo tanto el poder calorífico

inferior se determina por:

PC1 = PCS - (Mo*U"fg)

I PC1 = PC1 - (S50.51 *Ma) kcal/kg comb. I

Seminario de Proyectos I18

A P f N O K f A HGfNEh f N f H f R G U

A.3 Determinación del Por Ciento de Sustitución para el Combustible Alterno

La cantidad de combustible alterno requerido por su poder calorífico inferior respecto

al poder calorífico inferior del combustóleo es:

1 kgalterno .......... PClalt kcal

X kgaltemo .......... PClcomb kcal

1 kgaltemo = X / densidad = X ltaltemo

Lrirterno = Lcornb + (%Salt * x) Lrirterno = ( 100% - %SOH) + (%Salt * X)

Lsirterno = 100% + (%Salt * (X-1)) ........ (1)

Lsistemo = ( 1 O0 * LH20rirtema)/(%H20rirtema) ........ (2)

combinando ( 1 ) y (2) se tiene que:

LHZOrirtema = (%H20Grtemo) ( 1 + (%Salt (x- 1 )/lo) ) ........ (3)

a partir de los litros de humedad en le sistema:

Seminono de Proyector 119

APENMtf A NGfNERL4 EN tNEsCh

igualando (3) y (4) se obtiene:

(%H20rirterno)*(I+(qbSalt*(X-l)/l00)) = %H20comb + (%salt '(((x * %H2Oatt)/l00) - (%H2Ocomb/lO)))

por lo tanto, el por ciento de sustitución de combustible alterno (%So~t) es:

Seminario de Proyectos 1-22

SIMBOLOGIA

litros de combustible totales en el sistema

litros de combustóleo

litros de combustible alterno

litros de humedad totales en el sistema

por ciento de sustitución de combustible alterno

por ciento de sustitución de combustóleo

poder calorífico inferior del combustible alterno

poder calorífico inferior del combust6leo

litros de combustible alterno requerido por litro de combustóleo

por ciento de humedad total en el sistema

por ciento de humedad en el combustible alterno

por ciento de humedad en el combustóleo

A.4 Temperatura de Combustión Adiabática

En ausencia de trabajo y de cualquier cambio apreciable de la energía cinética de

la corriente de flujo, la energía liberada por una reacción química en un reactor de

flujo estacionario aparece en dos formas: pérdida de calor hacia los alrededores y

aumento de la temperatura de los productos. Cuanto menor seo la pérdida de calor,

mayor será la elevación de la temperatura de los productos. Es deseable poder

predecir cual será la máxima temperatura que alcancen los productos. Esta

temperatura máxima se conoce como temperatura de flama adiabática o de

combustión adiabática de la mezcla reactiva. El balance de energía para una mezcla

reactiva en flujo estacionario y en condiciones adiabáticas es: '

como la temperatura y la composición iniciales de los reactivos normalmente se

conocen, el lado derecho de la ecuación se puede evaluar en forma directa.

Para obtener el ascenso máximo de temperatura de los productos, una reacción

debe ser completa. Por lo tanto, los valores Ni de los productos también se conocen a

partir de la química de la reacción. Además, los valores de Hot y hwe para cada uno

de los productos se pueden obtener de las tablas de los datos termodinámicos. En esta

forma, las incógnitas a la ecuación son los valores de hr para cada uno de los

productos a la temperatura de combustion adiabática desconocida.

En la práctica no se obtiene la temperaiura de combustión calculada debido a varios

efectos. En primer lugar, la combustión rara vez es completa. En segundo lugar. las

pérdidas de calor pueden reducirse a un mínimo, pero no pueden ser eliminadas por

completo. Por último, algunos de los productos de combustión se disociarán con otras

sustancias como resultado de las altas temperaturas presentes.

Semlnorio de Proyectos I22

A S Determinación de la Temperatura de Flama, Pérdidas y Exceso de Combustóleo

Para el cálculo de la temperatura de flama adiabática considerando la humedad del

combustible y de acuerdo a la reacción de combustión del combustible es de la

manera siguiente:

1) %H2=25-(15*densidad)

2) X C = 1 O0 X - Hidr6geno % - Agua X - Azufre % - Impurezas %

' debido a que en un combustible las cantidades de oxígeno, de nitrógeno, entre otras

están en cantidades de partes por millón (ppm), estas contribuyen en 1 %.

En kilomoles se tiene que:

C : %C/PMc = n H2: %H~/PMH = m

H 2 0 : %H20/F"~m = q S : %/PMs = p

La reacción de combustión, es completa y con un X % de exceso aire se tiene que:

n COZ + ((m/2)+q) H z 0 + (3.76(1 +x)(n+(m/4)+p) N2 + (x(n+(m/4)+~) 0 2

Utilizando la ecuación de la energía para un sistema en estado permanente con flujo

permanente se tiene que:

Seminario de Proyector I23

APfNDTf A WCfNl€@k fN fNfffil*

a) C (Ni * (A HDf))i,pcwluctor = n*(-94054) + ((m/2)+q)*(-57797.7) + (p*(-70947))

AH'f(comburtibie) = (n*(-94054)) + ((m/2)+q)*(-57797.9)) + (p*(-70947)) + PcI* P M ( c n H m ) +

(q*(-68315.01)) - (p*340)

b) C (Ni * (A H'f))i.reactivos = AH'f(combustibie) '+ ( ~ ~ 3 4 0 ) + (q*(-68315.01))

El cambio de entalpía para el combustible se obtiene por:

hzs = (25'(( 1.685/densidad)+((0.039'25)/densidad)))*(PM~~~~~r/4.184)

hr = (T*( (1.685/densidad)+( (0.0039*T)/densidad)))*(PM(c"~~~/4.184)

C) C (Ni * (hr - h298))l.reoctivor = (hr - h25) (CnHm) ,f (q'(H20 - 2369.1 41 5)) + (p*(S - 1592.5349)) +

( 1 +X)*(n+(m/4)+p)*(Oz - 2075.3299)+

3.76*( 1 +X)*(n+(m/4)+p)*(N2-2072.2053)

Entonces se tiene que:

C (Ni * (hr - h298))i.ptoductor = C (Ni * (hr - hm8))i.reoctivor - C (Ni * (A H'f))i.pcoductos +

C (Ni * (A H't))i.prC>ductor

C (Ni * (hr - hma))l,poductor = n*(COz - 2238.6126) + ((m/2)+q)*(HzO - 2369.1415) +

3.76*( 1 +X)*(n+(n?/4)+p)*(N~ - 2072.2053) + p*(SOz - 2539.21 26) +

(X*(n+(m/4)+p)*(02 - 2075.3299)

Si se supone un comportamiento de gas ideal, la entalpía depende únicamente de

la temperatura; esta temperatura se determina por un método de prueba y error.

Seminono de Proyector 124

Para investigar qué temperatura de los productos debemos utilizar como primer

intento se puede suponer que se tienen (n+(m/2+q)+p+(( l+X)*3.76*(n+(m/4)+p))+

(X*(n+(m/4)+p))) (que es igual a Ni) moles de productos, se puede escribir para el lado

de los productos:

NiZ(9/2*1.9871)'(T- Tan) = Z (Ni * (hr - h29e))l.reoctlvos - C (NI * (A H.f))I.productos +

C (Ni * (A wf))i.Croductos

((Ni * (hr - h29e))i.reoctwor - C (Ni * (A HOf))i,productos + C (Ni (A H'f))i,productos ) = Hreoct - AHOI

es decir,

(T-TDE) = (Hreoct -AHo1)/ (N1*(9/2*1.9871) ) = To OK

T = To + 298.15 OK

valor inicial para el metodo de prueba y error. Si ahora se tiene como último intento

para la temperatura de los productos a T = TAarna OK, se calculan las entalpías para los

distintos gases y se obtiene:

Z (Ni * (hr - h298))i.productor = C (Ni * (hr - h29H))i.reoctivor - Z (Ni * (A H"t))i.poduclos +

C (Ni * (A H'f))i.poductos

Por lo tanto, a Tflorna se da la temperatura máxima de los productos de combustión

(temperatura de flama adiabática), en donde todo el calor generado por el horno se

utilizará para aumentar la temperatura de dichos productos.

125

Por lo tanto, para encontrar la disminución de temperatura de la flama, hay que

encontar primero la temperatura con el por ciento de humedad del sistema por la

forma anteriormente descrita, después, se procede de la siguiente manera:

( 1 /densidad) litros combustóleo [a 0.2 %tizO) = Tfbrnal O C

[l/densidad) litros combustóleo (a 1 .O % t i 2 0 ) = Tnarna "C

la disminución de temperatura de la flama = Z "C

ahora:

( 1 /densidad) litros de combustóleo = Tttamal O C temperatura de la flama

X litros de combustóleo = Z O C temperatura de la flama

X = Z*( 1 /densidad) / Tnarnal litros de combustóleo adicional por litro de

combustóleo utilizado

Seminarlo de Proyectas 126

La energía útil en el horno se encuentra a partir de los datos ya encontrados y de la

temperatura de los gases a la salida del horno, de la forma:

Q = ( X (Ni * (A H"f))i.productor - X (Ni * (A HOf))i.reoctivor) +

( X (Ni * (hr - h298))i,~~oductor - ( X (Ni * (hr - h298))i.~20.~.reoc1ivor) -

(2 (Ni * (hr - h~8) ) ¡ .0~ ,~2. reoct ivor

Seminario de ProyecIoI 127

APENDCE 8 WENERh EN INERG!A

B.l Análisis de Combustóleo Pesado

DATOS PARA EL CALCULO DEL PODER CALORIFIC0 INFERIOR

Y TEMPERATURA DE LA FLAMA PARA EL COMBUSTOLEO

(OCTUBRE 1995)

CARGA DENSIDAD HUMEDAD AZUFRE

(kcal/kg) (gr/ml) (%I (%I

Seminario de Proyector I28

8.2 Análisis de Combustibles Alternos

DATOS PARA EL CALCULO DEL PODER CALRlFlCO INFERIOR Y

TEMPERATURA DE LAFLAMA DE COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS

(SEPTIEMBRE 1995)

CARGA PCS DENSIDAD HUMEDAD

# (kcal/kg) (gr/ml) (X)

229 10 589.70 0.9349 3.423

230 6 845.28 0.99 1 3 10.706

23 1 9 71 8.67 0.9285 5.957

I 232 6 738.97 1 .O050 14.707 I 233 9 130.44 0.9245 7.357

234 7 578.46 0.9 1 75 26.302

235 9 416.19 0.8800 10.902

236 8 562.63 0.9 1 50 8.046

237 0.9883 53.350

I 238 4 402.1 7 1.2587 16.423 I 239 1 O 450.50 0.9 1 60 4.771

240 7 924.37 0.9828 6.826

24 1 8 580.3.5 0.9300 7.783

I 242 8 599.22 0.9 1 34 10.369 I 243 9 327.37 0.925 1 6.389

244 5 835.79 1 .o055 12.91 3

245 7 944.03 0.8700 1.645

246 5 394.00 0.9550 39.561

247 5 803.5.5 1.1 650 18.386

248 8 441.27 0.9 1 50 5.484

Semlrmrio de Proyector 129

8.3 Rangos Utilizados para las Variables de los Combustibles Líquidos, para el

Programa de Computadora en el 1Zálculo de los Poderes Caloríficos, en la

Temperatura de Flama y para la Propuesta del Aprovechamiento de

Combustibles Alternos

RANGOS UTILIZADOS PARA EL PROGAMA DE COMPUTADORA EN EL

CALCULO DE LOS PODERES CALORIFICOS SUPERIOR E INFERIOR

COMBUSTIBLE ALTERNO

3 O00 < PCS (kcal/kg) < 15 o00 4 O00 < PCS (kcal/kg) < 15 O00

0.75 < densidad (gr/ml) < 5.0

O <= humedad ( W ) <= 100 O <= humedad ( W ) <= 100

azufre ( W ) = 0.5 (propuesto)

Cantidad de litros en las mezclas O < litros < l o 0 0

Seminario de Provector

APENDCE B W E N E R k f H fNEs(ii*

RANGOS UTILIZADOS PARA EL PROGAMA DE COMPUTADORA EN EL

CALCULO DE LA TEMPERATURA DE FLAMA ADIABATICA

COMBUSTOLEO COMBUSTIBLE ALTERNO

3000 < PCS [kcal/kg) < 15000 4000< PCS (kcallkg) < 15000

0.75 < densidad (gr/ml) < 5.0 0.75 < densidad (gr/ml) < 5.0

O <= humedad ( W ) <= 100 O <= humedad ( W ) <= 1 0 0

O <= azufre 1%) <= 100 azufre 1%) = 0.5 [propuesto)

O <= temperatura ("C) <= 200 0 <= temperatura ("C) <= 200

TEMPERATURA DE LOS GASES A LA SALIDA DEL HORNO

O <= temperatura 1°C) <= 1 800

Seminario de Proyector 131

APENDEE B WENIEWU EN ENEffiU

RANGOS UTILIZADOS PARA EL PROGAMA DE COMPUTADORA EN

EL CALCULO DE LA PROPUESTA DEL APROVECHAMIENTO DE

COMBUSTIBLES ALTERNOS

COMBUSTOLEO COMBUSTIBLE ALTERNO

3 o00 < PCS (kcal/kg) < 15 O00 4 o00 < PCS (kcal/kg) < 15 o00

0.75 < densidad (gr/ml) < 5.0 0.75 c densidad (gr/ml) < 5.0

O <= humedad (76) <= 50 0.5 <= humedad ( W ) <= 70

O <= azufre (W) <= 50 azufre ( W ) = 0.5 (propuesto)

O <= temperatura ("C) <= 200 O <= temperatura ("C) <= 200

AIRE PRIMARIO

O <= exceso ( W ) < l o 0 0

O <= temperatura ("C) <= 400

TEMPERATURA DE LOS GASES A LA SALIDA DEL HORNO

O <= temperatura ("C) <= 1 800

FLUJO REQUERIDO DE COMBUSTIBLE

O < flujo (litros) < 400

Seminotio de Proyector I32

8.4 Programa de Computadora para el Cálculo de los Poderes Caloríficos Superior e

Inferior y de la Temperatura de Flama

{$E+,N+) (* programa para el calculo de los poderes caloríficos superior e inferior y la temperatura de flama adiabótica *) PROGRAM PROGRAMA; USES CRT,GRAPH,CARATULA,IMPRIME,IMPRESO; TYPE AR = ARRAY [ 1 .SO] OF REAL; VA R X.HF.PM,PCI.PCS,CCPPCO2,CCPPH2O,CCPPN2,CCPP02,TCOMB,TAIRE.Q.QQ,TT,CPCOMB,MOL,QI , HPROD.CPMEDIO,TP,T,H,HN2,HC02,Hl,HH20,HPl.HP2,HP3,HP4,HP5,H02,TOL,AI,BI,PI,ZP,E,FLAMA, Q2,Q3.HFOR,DELTAH,CCCPPPN2.CCCPPPO2,HFORTOT,HHN2,HH02,HHO,H20,N2.C02.QTOT,Q22, Q21,02.WN2.WC02,WH20.WO2.CPCOMBCH4,DHREAC,DHF0RPR0D,DHF0RREAC,DHPR0D,PW, TREAC,PC,PII.We,WeXe,SIGMA,BE,ALFAE,MM,EE,GG,U,D,G,HT,HV,HA1,HA,HE¡,HE,HA2.HN22,XW,H02 2.HC022,HH220,TPRODUCTO,TlPO,DCOMB,DALT,HCOMB,HALT,SSALT,SSCOMB,HH,CARB,NW,MW, MQ.AA,BB,CC,HC,HH2,HS,HS02,WC,QTOTKG,PCSKG,PCIKG,WATER,REL.FORCOMB,PESP,DENS, GRADOS,PCOMB,PCOMBLT,PClLT,DHFORCOMB,ENTCOMB,DHPRODUCTO,Q4,Q5,XH,ENTCOMB I , ENTCOMB2,INICI,W,HS022,QTOTT,CLASE,PCSM.PCIM,DM,AGUAM,SUMAO,SUMA1 ,SUMA2,SUMAJ, SUMA4,SUMA02,SUMA6,AZZUFRE,QTOTAL : REAL: R.RI ,R2,CH,OPC,CLAS,TIP : CHAR: BX : SINGLE; PClNFl ,HIDR,HUME,BETA,PCINF,PCINF2,RAZONl ,RAZON2,RAZON3,RAZON4,RAZON6,TOTAL,SUMA5,S, SS,PCSS,PESPP,HUMED,DX,L,GRADOSS,HHW,CARBB,PPM : AR; DRIVERGRAF. MODOGRAF,I,N,NN,NX,M,N 1 : INTEGER; CADENATEST : STRING ; XZ,XX,XY,XXX,XXY,XXZ,XXXX,XXXY,XXXZ : EXTENDED;

(* elección de la operación a realizar *) PROCEDURE INICIOI; BEGIN TEXTMODE(c80);CLRSCR; GOTOXY( 10,20);WRITELN(' PARA BORRAR LA OPCION USAR BARRA ESPACIADORA O DEL '): REPEAT GOTOXY( I0,6):WRITELN('" CLASE DE OPERACION A REALIZAR 3 '): GOTOXY( 10,12);WRITELN(' (P) PODERES CALORIFICOS (T) TEMPERATURA DE FLAMA = '): GOTOXY(65.12); CLAS := READKEY: UNTIL (POS(CLAS,'Pp')=O)OR(POS(CLAS,'Tt~)=O): IF (CLAS = 'P')OR(CLAS = 'p') THEN BEGIN CLASE := I;END; IF (CLAS = 'T')OR(CLAS = 'Y) THENt BEGIN CLASE := 2;END: CLRSCR;END;

(* si desea obtener el poder calorífico de un combustible o una mezcla,el programa se apoya en el procedimiento PODER.PAS, y para obtener la temperatura de flama adiabática,el programa se apoya en el procedimiento FLAMA.PAS para los calculos *) ('$1 FLAMA.PAS*) ( *$ I PODER.PAS*)

(* cuerpo del programa principal, para las elecciones y ciclos *) BEGIN PORTADA(Drivergraf,modograf,i,CADENATEST); REPEAT INICIOI: IF CLASE=I THEN BEGIN MEZCLAPCI; END;CLRSCR; IF CLASE=2 THEN BEGIN TFLAMA; END;CLRSCR: GOTOXY( 19,12);WRITELN('" DESEA CALCULAR OTROS DATOS (S/N) ?'); GOTOXY(60.12); OPC := READKEY; UNTIL POS(OPC.'Ss')=O:CLRSCR; END.

Seminario de Proyecios 133

APfNDKE 8 HGEN€Rh f N L N f m

8.5 Programa de Computadora para el Cálculo de la Relación Combustóleo - Combustible Alterno

{$E+.N+} [* programa para el calculo de la relación combustóleo-combustble alterno *) PROGRAM RELACION; USES CRT.GRAPH,ENTRADA,PRINTER,IMPRESO; VAR HUME.BETA,PCINFCOMB,CARB,PM,X,PCl,D,S,H,HH,H20,FI,F2.F3,F4,P1,M,N,Q.ALT1,ALT2.HTOT.HTOTAL, MOL,CPMEDIO,T,TP,TFLAMAK,DCOMB,ZP,TFLAMAC,WATER,TFALAM,PCSI ,PCINFl ,HC02,HN2,HH20, H02,TOL.A 1, B1 ,E,HREACT,HPROD,TFLAMATP.HPARCIALP,HPARCIAL,HPRODB,Hl .SALT,HP2,HP3,HP4. HN2A.HC02A,HH20A,H02A,HPARCIALA,HN2B.HC02B,HH20B,H02B,HPARCIALB,HN2P1 .HC02PI, HH20PI ,H02PI,RAIZP,FLAMA,WATERSIST,HPl ,HHALT,DALT,CARBALT,WATERALT,PMALT,HUMEALT,LALT, BETAALT.FLAMASIST,PCINFALT,SUSTALT,PCSALT,NALT,MALT,QALT,GALT,TPERD,FACTOR,LCOMB,LSIST,LR EQ.LREQALT,LREQCOMB,LCOMBREAL,PCSCOMB,PClNF,Tl,We,WeXe,sigma,Be.alfae.EE,GG,U.G.HT, HV,HA.HA 1 .HA2,HEHEl ,P,PALT,PESP,GRADOS,FS,F6,DHFORCOMB,TCOMB,PESPCOMB,EXC,AA,BB, CC,HS,MM,XW,HN22,H022,HCO22,DHFORREAC.DHFORPROD,ENTCOMB1 .ENTCOMB2,ENTCOMB, TAIRE.DHREAC,DHPRODUClO,DHPROD,HDPROD.W.HSO2,HP5,PClNFALTl,FLAMA2,PClLT,PCSLT, PCIALTLT.PCSALTLT,TPRODUCTO,QI ,Q2,Q3,Q4,HS022.QTOT,QTOTAL,QTOTT.QTOTALALT.QTO~ALT. TALT.QTOTALT : REAL; BX : SINGLE:R,CH,OPC : CHAR:DRIVERGRAF,MODOGRAF,II : 1NTEGER;CADENATEST :STRING; XZ,XX.XY,XXX,XXY,XXZ,XXXX,XXXY,XXXZ : EXTENDED;

(* para la introducción de los valores a los combustibles y temperatura el programa se apoya en el procedimiento VALORJNC. Elección de la operación a realizar *)(*$¡ VALOR.inc *) PROCEDURE DATOS; BEGIN TEXTMODE(C80);CLRSCR:VALORES; END;

I' para la cantidad de hidr6geno el programa se apoya en el procedimiento tiCOMB.INC, después, se determinan las cantidades en moles para llevar acabo la reacci6n de combusti6n en el combustóleo*)(*$i hcombhc *) PROCEDURE CALCULA; BEGIN hhcomb; carb := [99-s-water-hh)/l2.01 I;hh := hh/l.O08:p := M2.064; pm := (carb'l2.011) + (hh'I.008);n := carb;m ::I hh: q := water/l8.016; beta := (hh/2) + q; pcinfcomb := pcscomb - (SSOSl*( 18.016*beta)/pm); pcilt := pcinfcomb*dcomb;pcslt := pcscomb'clcomb: END:

[' para la cantidad de hidrógeno el programa se apoya en el procedimiento HALT.INC, después, se determinan las cantidades en moles para llevar acabo la reacción de combustión en el combustible alterno*)(*$i halthc *) PROCEDURE CALCULAALT; BEGIN hhhalt;salt := 0.5; carbalt := (99-salt-waieralt-hhalt)/12.011; hhalt := hhalt/l.008; palt := salt/32.064; pmalt := (carbalt*12.011) + (hhaltll .m); nalt := carbalt; malt := hhalt;qalt := [wateralt/lH.016): betaalt := (hhaW2) + qalt: pcinfalt := pcsalt - (550.51'(18.016'betaalt)/pmalt):pcialtlt := pcinfalt'dalt: pcsaltlt := pcsalt*dalt: END:

Seminario de Proyectos 134

APENDCE B VGEHEWA EN ENfRjU

( * calculo del por ciento de sustitución de (combustible alterno de acuerdo al por ciento de humedad total en el sistema *) PROCEDURE SUSTITUCION; BEGIN galt := (pcinfcomb/pcinfalt)/dalt;altl := (l'watersist) -water; alt2 := (((galt * wateralt) -water) - (watersist (galt-1)))/100; sustalt := altl/alt2:END;

(* DHFORCOMB es el cambio de entalpja de formación del combustóleo *) PROCEDURE HFORMACION: BEGIN; DHFORCOMB := (N*(-94054)) + (BETA*(-57797.9)) + (P*(-70947)) + (PCINFCOMB*PM) -

(Q*(-68315.01)) - (P.340); END;

( * el programa se apoya por los archivos +++.INC para calcular las entalpías a diferentes temperaturas así como las cantidades de calor en la reacción *) ( *$ I AZUFRE.INC * ) ( * $ I HUMEDAD.INC * ) ( * $ I DIAZUFRE.INC*) ( * $ I NITRO.INC*) ( * $ I OXIG.INC*) ( *$ I CC002.INC') ( * $ I CALORES.INC*) ('$1 CALORES2.1NC*) '

PROCEDURE TEMP; BEGIN (' DHFORCOMB es el cambio de entalpía de flormoción del combustible * )

( * DHFORREAC es el cambio de entalpía de formación de los reactivos *)

( * DHREAC es el cambio de entalpía de los recrctivos *) T := 25; ENTCOMBI := T'(( 1.685/PESPCOMB)+((O.0039*T)/PESPCOMB));

ENTCOMB := (ENTCOMB2 - ENTCOMBl)*(pm/4.184): T := TC0MB;AZUF;AGUA: T:= TAIRE;NITRO;OXIG;

DHFORREAC := (Q'(47797.9)) + DHFORCOMB + (P'340);

DHFORPROD := (N*(-94054))+(BETA*(-57797.9))+(P8(-7O.947));

T := TCOMB - 273.1 5; ENTCOMB2 :=T*(( 1.685/PESPCOMB)+((O.O039'T)/PESPCOMB));

DHREAC := ENTCOMB + (Q'(HH20 - 2369.1415)) + (P'(HS - 1592.5349))+ (((l+WC)*(N+(M/4)+P))*(HO22-2075.3299)) + ( ( l+EXC)*3.76*(N+(M/4)+P))*(hn22-2072.2053));

(* DHPROD es el cambio de entalpía de los productos *)

MOL := N+(M/2+Q)+P+((I+EXC)*3.76*(N+(m/4)+P))+(EXCo(N+(M/4)+P)); . .CPMEDIO := MOL*(9/2)*( 1.9871);

IF DHPRODUCTON THEN BEGIN DHPROD := DHPRODUCT0:END: HPROD := (DHPROD)/CPMEDIO;TP := HPROD + 298;calor:calor2; END;

( * función para el ensayo de la temperatura de flama *) FUNCTION HPARCIALTP(T:REAL) :REAL; begin NITRO; CC002; AGUA;DIAZUF; IF EXC=O THEN BEGIN ho22 := O; END; IF E X 0 0 THEN BEGIN OXIG: END;

DHPRODUCTO := DHREAC - DHFORPROD + DHFORREAC;

IF DHPRODUCTO<O THEN BEGIN DHPROD := (-1 )*DHPRODUCTO;END;

HPI := N'(HC022 - 2238.6126); HP2 := ((M/2)+Q)*(HH20 - 2369.1415); HP3 := (3,76)'(l+EXC)*(N+(M/4)+P)*(HN22 - 2072.2053); IF EXC=O THEN BEGIN HP4:=0; END: IF EXC>O THEN BEGIN HP4 := MC*(N+(M/4)+P)'(H022 - 2075.3299);END; HP5 := P (HS02 - 2539.2126); HPARCIALTP := HPI + HP2 + HP3 + HP4 + HP5; END;

Seminario de Proyector 135

APENOTE O WGENERh EN ENEffik

( * método de bisección para calcular la temperatura de flama *) PROCEDURE METODO: BEGIN TOL := 0.01 : A 1 := 5 0 ; B1 := TP + 500; REPEAT T := AI+((Bl-A1)/2); ZP := HPARCIALTP (T); IF ZPCDHPROD THEN BEGIN A l := T; 81 := B1; END; IF ZP>DHPROD THEN BEGIN BI := T; A l := AI; END;

UNTIL (E<TOL): FLAMA:= T; END; IF ZPzDHPROD THEN BEGIN FLAMA :=T:END; E:=(BI-A1)/2

(*$i th2osist.inc *) (* temperaturas finales de la flama a diferentes por cientos de humedades en el combustóleo *) PROCEDURE FINAL: BEGIN flama := FLAMA - 273.15: th2osist: metodo2; final2; flamasist := flamasist; END:

(' calculo de la caída de temprartura y su factor *) PROCEDURE PERDIDA: BEGIN tperd := flama - flamasist; factor := tperd/(flama*dcomb): END:

( * flujo de combustóleo adicional y de combustible alterno *) PROCEDURE LITROS; BEGIN lcomb := (1 - (sustalt/l00)); lalt := sustolt/100; lreqcomb := lcomb Ireq; lreqalt := lalt * Ireq; (combreal:= (Ireqcomb * factor) + Ireqcomb; END;

(* dirección de resultados *) PROCEDURE RESULTADOSI; BEGIN CLRSCR; REPEAT GOTOXY(22, IO);WRITELN(' Dirección de salida de resultados '); GOTOXY(25,12);WRlTELN(' Oprima (P) para pantalla '); GOTOXY(25,14);WRITELN(' Oprima (I) para imprimir ');GOTOXY(S5.l4);CH :=readkey; UNTIL (pos(CH,'Pp')=O)OR(pos(CH,'li')=O); END;

('$i datosfin.inc *) PROCEDURE RESULTADOS2: BEGIN CLRSCR; IF (CH = 'P') OR (CH = 'p') THEN BEGIN DATOFIN; END: IF (CH = 7') OR (CH = $7) THEN BEGIN IMPRESORA(pcscomb,PCINFALT,water,fLAMA,PCSALT,PClNfCOMB,WATERALT,WATERSlST, SUSTALT,FLAMAsist,TPERD,FACTOR,LREQ,LREQCOMB.LREQALT,LCOMBREAL.PCSLT. PCIALTLT,PCILT,PCSALTLT,qtotal,qtott,qtotaialt,q~ottalt, qtot,qtotalt ):END;END:

( * cuerpo del programa principal, para las elecciones y ciclos *) BEGIN portada(Drivergraf,modograf,cadenatest); repeat datos: calcula; calculaalt; sustitucion; hformacion; temp; metodo; final; perdida: litros; resultados 1 ;resultados2; IF (CH = '1') OR (CH = 7') THEN BEGIN CH := 'P' : KESULTADOS2: END; GOTOXY( 15,24):WRITELN(' " DESEA CALCULAR OrRAS DATOS (S/N) ?'); gotoxy(55.24);opc :=readkey; until pos(opc,'Ss')=O; END.

Seminario de Proyector i 3 6

Biblioarafía

* Kennet Wark, Termodinámica, 5a ed., McGraw-Hill Interamericana, 1988.

* Faires V.M., Termodinámica, 6a ed., ED. UTEHA, 1990.

* Huang F. Francis, Ingeniería Termodinámica, Fundamentos y Aplicación,

2a ed., ED. C.E.C.S.A.,1994.

* Robert H. Perry, Chemical Engineer's Hundbook, ED. McGraw-Hill, Sa. de, 19973.

* Ambriz Garcia J.J., Romero Paredes H., Administración y Ahorro de Energía,

4a ed., UAM-IZTAPALAPA, 1993.

* Manuales Técnicos y de Instrucción para la Conservación de la Energía,

" Hornos Industriales ". ED. IDAE.

* Sarabia González Antonio, Manual Tecnológico del Cemento, ED. Editores

Técnicos Asociados S.A., Barcelona, 1977.

* Curso del Cemento 1995, Ramos Arizpe, México.

* Secretaría de Energía, Balance Nacional de Energía 1994, 1 a. de., 1995.

* Petróleos Mexicanos, Subdirección de Planeación y Coordinación; Perfiles

Energéticos Industriales No.1, Consumo de Energía en la Industria del Cemento,

Octubre de 1984.

* O'brien Stephen, Turbo Pascal 7, Manuul de Referencia,ED. McGraw-Hill, 1994.

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