El cemento es uno de los productos más utilizados en el mundo. Pero la demanda es especialmente implacable en China, que lidera la producción mundial de cemento. El cemento es un ingrediente fundamental para el desarrollo de infraestructuras y viviendas que sustentan la población cada vez más urbana del país y las megaciudades en crecimiento.
Si bien la demanda constante es una buena noticia para los productores chinos, la producción de cemento es una industria que consume mucha energía y depende en gran medida del carbón como combustible.
"El carbón es una fuente principal de gases de efecto invernadero", dijo Alessandro Masiello, gerente, Rockwell Automation. "Los productores de cemento chinos buscan maneras no solo de reducir los costos de combustible, sino también de cumplir con los reglamentos ambientales".
Recientemente, el principal productor de cemento del país recurrió a Rockwell Automation para encontrar una mejor manera de optimizar su proceso, reducir el consumo de combustible y contener los costos.
Variables complejas
La producción de cemento es un proceso complejo que comienza en el molino de materias primas, donde se pulverizan y mezclan piedra caliza y otros materiales. En el horno, las materias primas se someten a altas temperaturas y se transforman en clinker. El clinker se transfiere al molino de acabado, donde se muele y se mezcla con yeso para producir el producto final.
Aunque la producción de cemento expende energía en cada paso, el horno es uno de los más difíciles de optimizar.
Las plantas de cemento modernas suelen utilizar hornos rotatorios secos con calcinadores. El calcinador precalienta la materia prima a unos 900 °C (1650 °F). El proceso de calcinación se completa en el horno, que calienta el material a unos 1200 °C (2200 °F). Para alcanzar estas temperaturas, se añade combustible al quemador principal del horno y al nivel del calcinador.
"Debido a que la calidad de la materia prima y el valor calórico del carbón son variables, las condiciones del proceso en el horno cambian constantemente", dijo Tiger Xiaohu He, consultor de la industria del cemento, Rockwell Automation.
Además, los ventiladores enfrían el clinker a medida que sale del horno, y el sistema recircula el aire caliente resultante de nuevo al calcinador. Si bien el aire recirculado mejora la eficiencia energética, añade otra variable al proceso.
Además, para mantener la calidad del producto, el material se somete periódicamente a pruebas para garantizar que el contenido de cal libre se mantenga dentro de un rango de 1–2 %. La cantidad de cal libre está directamente relacionada con la entrada de energía al horno.
El problema del control convencional
"La empresa de cemento utilizaba lazos PID estándar para controlar un número limitado de variables", explicó Tiger Xiaohu He. "Pero dado el alto número de variables en una planta de cemento, los lazos PID no pueden optimizar realmente el proceso".
Aunque el productor de cemento se enfrentó a desafíos similares en toda su extensa red de plantas, decidió centrarse primero en su instalación de Yiyang.
La planta de Yiyang producía 5000 toneladas de clinker por día, utilizando unas 500 toneladas de carbón. Anualmente, la planta consumía aproximadamente 165000 toneladas de carbón a un costo de USD 16,500,000 cada año. Para reducir el consumo de carbón, la empresa sabía que tenía que lograr un mejor control del uso de energía del horno.
"Las temperaturas fluctuaban mucho en el horno", dijo Tiger Xiaohu He. "Para controlar las temperaturas, los operadores monitoreaban el proceso y reaccionaban manualmente ante cualquier fluctuación".
Por ejemplo, en el quemador principal, los operadores monitoreaban las cámaras térmicas y luego ajustaban el flujo de combustible para aumentar o disminuir la temperatura. En el calcinador, los operadores cambiaban los puntos de ajuste de temperatura del lazo PID para activar las adiciones de combustible según fuera necesario.
"Los operadores dedicaban entre el 50 % y el 70 % de su tiempo a monitorear y ajustar las temperaturas y las adiciones de combustible", dijo Tiger Xiaohu He. "Pero a pesar de sus mejores esfuerzos, no pudieron mejorar la eficiencia térmica del sistema".
Mayor estabilidad del horno con MPC
Para lograr una operación más estable del horno, Rockwell Automation recomendó una solución basada en FactoryTalk® Analytics™ PavilionX™, una plataforma de software de control predictivo basado en modelo (MPC).
"FactoryTalk® Analytics™ PavilionX™ MPC se puede integrar con cualquier sistema de control preexistente", dijo Jingkun Tang, gerente de desarrollo comercial de Pavilion, Rockwell Automation. "Mejora el proceso al hacer predicciones sobre los resultados de la planta y responder a las variables de entrada y perturbaciones del proceso".
FactoryTalk® Analytics™ PavilionX™ El control predictivo basado en modelo (MPC) aprovecha las tecnologías de aprendizaje automático supervisado para crear modelos robustos y dinámicos de procesos multivariables. Analiza datos históricos y tendencias de producción, así como datos actuales de procesos y de laboratorio, y toma el control para optimizar el rendimiento.
Por ejemplo, el software puede modelar y predecir el impacto que tendrá el aire caliente de recirculación en la temperatura del calcinador. Y luego manipular automáticamente las adiciones de carbón para lograr un producto de alta calidad utilizando la cantidad ideal de combustible.
"En una aplicación como esta, todo está vinculado", dijo Alessandro Masiello. "FactoryTalk® Analytics™ PavilionX™ MPC le permite controlar mejor la calidad, lo que le permite reducir el consumo de energía y, eventualmente, aumentar la capacidad".
Extensión de las ganancias a las operaciones del molino y a toda la empresa
Centrarse en el rendimiento del horno fue una forma en que la planta de Yiyang optimizó el consumo de carbón. Pero la planta también esperaba reducir el consumo de energía en otro proceso de gran consumo de energía: sus aplicaciones de molino.
Al aplicar FactoryTalk® Analytics™ PavilionX™ MPC en los molinos de materia prima y de acabado, la planta pudo controlar mejor variables como la inconsistencia de la materia prima y la molibilidad del clinker, y optimizar el uso de energía.
"En general, la solución ayudó a estabilizar la operación del horno y del molino", dijo Jingkun Tang. "El sistema más estable redujo significativamente la carga de trabajo del operador y proporcionó un ahorro de energía impresionante".
Con FactoryTalk® Analytics™ PavilionX™ MPC, la planta de Yiyang redujo el consumo de carbón y energía en el horno hasta en un 2 % y capturó ahorros adicionales en los molinos. La disminución del carbón representa ahorros anuales de hasta USD 330,000 y permitió a la planta reducir dos subproductos del consumo de carbón: dióxido de carbono (CO₂) y óxido de nitrógeno (NOₓ) emisiones.
"El proyecto piloto en la planta de Yiyang fue muy exitoso", dijo Jingkun Tang. "La empresa ya ha ampliado la solución FactoryTalk® Analytics™ PavilionX™ MPC a cinco plantas adicionales, con al menos cinco más en camino".
