COGENERACIÓN EN PLANTAS CEMENTERAS LATINOAMERICANAS

Transcripción

1 COGENERACIÓN EN PLANTAS CEMENTERAS LATINOAMERICANAS La industria cementera es un consumidor intensivo de energía térmica y eléctrica, lo que determina condiciones potencialmente favorables para proyectos de cogeneración; sin embargo, existen muy pocas experiencias en este campo, debido a que en las plantas antiguas no se presentan condiciones favorables y a los cementeros no les interesaba vender energía eléctrica. Para plantas modernas con precalcinación y ejecutivos con mayor amplitud de criterio empresarial, proponemos un enfoque diferente. SISTEMAS DE COGENERACIÓN ADECUADOS Los sistemas que utilizan turbinas de vapor están descartados en plantas cementeras con niveles termodinámicos más exigentes que los del vapor saturado y muy pocos requerimientos térmicos auxiliares. La utilización de calor recuperado de gases de chimenea también resulta termodinámicamente insuficiente. En realidad, el sistema de cogeneración que podría aplicarse consiste en la instalación de turbinas de ciclo simple, en las cuales se utiliza la energía cinética de los gases de combustión, desperdiciando el calor liberado por las chimeneas, con gases a temperatura mayores a 800 C, lo que explica sus bajos niveles de eficiencias (24-38%). Estos gases calientes con un 16% de Oxígeno podrían reemplazar al aire terciario de la precalcinación. La viabilidad técnica de este proyecto estaría asegurada si podemos demostrar que resulta más conveniente utilizar los gases de salida de una turbina, autogenerando energía eléctrica, que utilizar aire transportado desde el enfriador o el cabezal.

2 Resulta de la mayor importancia establecer que ambas posibilidades no son excluyentes: En Hornos con Precalentadores de polvo en suspensión de gases sin precalcinador, resulta siempre muy probable que resulte técnicamente más rentable instalar un sistema de cogeneración que construir una ducto de aire terciario, aprovechando el aire residual del enfriador en los molinos verticales de cemento. Considerando el modelo básico de un horno de producción diaria de 100 TM de clínker y consumo específico de 800 Kcal/Kg., considerando un aporte promedio de 50 MM Kcal/ h requeridos para precalcinación, utilizando una turbina de ciclo abierto Brayton con 38 % de rendimento, se podría instalar un modelo que genere alrededor de 27 MW y proporcione los gases calientes para precalcinar el crudo suficiente para disponer de una producción de clínker de 2400 TM de clínker día. Siempre existirá la posibilidad de conseguir turbinas usadas de menor eficiencia, con las cuales se podrá generar menos Kw-h pero disponer de mayor volumen térmico para descarbonatación y/o aumento de producción. Considerando que una turbina de 25 MW represente una inversión similar a la que representa la instalación del ducto de are terciario, alrededor de US$ 20 MM considerando el sistema de precalcinación, podremos limitar la comparación de ambas opciones a los costos operativos de ambos sistemas: Alternativa aire terciario: Considerando un costo de 6 US$/MM BTU de gas natural para uso térmico y un consumo de 200 MM BTU/h, el gasto representará un total de 1200 US$/h. En un año se gastarán alrededor de US$ 10 MM de dólares En este caso la inversión total de US$ 30 MM, considerando que representa la producción adicional de 1200 TM/día de clínker y un beneficio neto de 50 US$/TM de clínker producido, obtendrá un Tiempo de Retorno de la Inversión de 1.5 años, representando un proyecto muy muy rentable., Alternativa cogeneración: Considerando un costo de 3.8 US$/ MM BTU del gas natural para generación termoeléctrica, el consumo total será de 320 MM BTU con un gasto de 1280 US$/h que representan alrededor de 8 US$ MM/año, completando una inversión total igualmente de 30 US$ MM, pero los 25 MW-h generados representarán un ahorro neto de 12 MM de US$ por sustitución de Kw-h adquiridos de la red a 0.06 US$/Kw-h. En este caso, al obtenerse un beneficio adicional por la energía eléctrica reemplazada de la red, el beneficio obtenido, considerando el incremento de producción y ahorro de energía eléctrica, será de 32 MM de US$, siendo el retorno de la inversión de menso de una año, constituyendo una inversión de alta inversión.

3 En el corazón de un ducto de aire terciario, donde se aprecia la dificultad de regular un flujo de aire caliente con partículas de clínker polvoso. AIRE TERCIARIO versus GASES DE TURBINA Para establecer la conveniencia del aire terciario efectuemos un pequeño balance térmico que nos permita comprobar la importancia económica de recuperar el calor del clínker para disponer de aire caliente en el precalcinador. Un sistema típico con precalcinador, donde se consume el 60% del aporte térmico requerido por el proceso, con una capacidad de producción de 200 TM de Clínker por hora y un consumo específico de 800 Kcal/Kg de Clínker, nos permite el siguiente análisis: Requerimiento de aire de combustión : Requerimiento total de aire de combustión : Requerimiento Aire en el Horno : Requerimiento Aire en el Precalcinador: 1 m 3 N/1000 Kcal m 3 N/h m 3 N/h m 3 N/h Recuperación de calor en el aire terciario : m 3 N/h. 800 C Kcal/ m 3 N/h. C = 25 MM Kcal/h= 100 MM BTU. Considerando 6 US$/MM BTU = 600 US$/h = 5 MM de US$/año. El consumo promedio de gas natural para completar los 100 MM Kcal requeridos para precalcinación será de 300 MM BTU/h equivalentes a un costo de 14 MM US$/ año.

4 Al instalar un sistema de Cogeneración instalando una Turbina de Ciclo abierto Brayton que permita aportar los 100 MM Kcal/h para precalcinación, siendo equivalente esta cantidad de calor al 60 % del calor invertido, la capacidad total de la turbina permitirá generar con 35 % del calor, equivalente de 35 MM Kcal/h, un total de 40 MW-h. El costo de inversión de la turbina, considerando una inversión promedio de 500 US$/kw-h instalado: 20 MM de US$. El consumo total de la turbina será de 400 MM BTU para un precio de 3.8 US$/MM BTU para generación Termoeléctrica = 1520 US$/h = 12 MM de US$. La posibilidad de cogenerar 40 MW-h permitirá generar un ahorro de la contratación de la red con un precio de 0.08 US$/Kw-h representará 3200 US$/h y 25 MM de US$ al año. Considerando un reemplazo total del aire terciario por gases de cogeneración, la inversión de la turbina se pagará en menos de un año y conseguir un beneficio económico neto de 25 MM de US$ a partir del segundo año. Sin embargo, considerando la necesidad de disponer de energía cinética para manejo de la turbulencia en el interior del precalcinador y mantener operando el ducto de aire terciario, se deberá plantear el proyecto de cogeneración para una planta nueva o para implementarlo en una planta en operación, considerando el anpalisis de las posibilidades técnias y económicas que resulten más convenientes para cada caso, teniendo en cuenta que siempre se podrá considerar una cogeneración que permita disponer de mayor capacidad de generación eléctrica maor a la requerida en planta, aprovechando la siempre abierta posibilidad de vender los excedentes a la red }, consguiendo siempre un importante margen de diferencia entre el costo del Lw-h cogenerado y el que se pueda obtener por venta a la red y/o comercialización directa a otros consumidores. La disponibilidad del suministro de gas natural a una planta cementera permite considerar importes posibilidades de innovación tecnológica en plantas cementeras.

5 CONCLUSIONES 1. Suministrar aire terciario a partir de la operación de una turbina de gas, cogenerando energía eléctrica para operación de planta resulta, siempre resultará más conveniente que enviar aire recuperado desde el enfriador por un ducto aislado. 2. La Cogeneración en una planta cementera representa una posibilidad que siempre debe considerarse, pudiendo constituir un proyecto rentable, si se presentan condiciones de suministro de gas natural a precios convenientes y se tienen altos costos de contratación del suministro eléctrico de la red pública. 3. La inversión de un ducto de aire terciario en una planta cementera no parece un proyecto rentable para el productor, pero sí para los proveedores del sistema. Este tema será objeto de una investigación y la correspondiente publicación en la Revista ilitec. 4. La utilización del aire y calor residual del enfriador en otros usos, tales como el aporte térmico a la molienda final, permite considerar que la Cogeneración siempre debería constituir parte de las plantas cementeras modernas. 5. Temas como la Cogeneración, rentables para los productores, pero inconvenientes para los intereses de los fabricantes y proveedores de plantas cementeras llave en mano, demuestran la necesidad de desarrollar proyectos de ampliación y nuevas plantas, con participación directa y responsable de los ingenieros de las plantas y empresas productoras.