Un enfoque de las Producciones mas Limpias en la gestión empresarial de una calera

2. Resumen
3. Desarrollo
4. Análisis de los resultados
5. Conclusiones
7. Referencias bibliográficas

RESUMEN:

El consumo de cal en la industria azucarera cubana no sigue los patrones conocidos. En este trabajo se presenta un análisis de las causas que motivan este comportamiento anómalo y se proponen soluciones .

El agente químico más ampliamente utilizado en la industria azucarera es la cal hidratada, por lo que el grado de eficiencia y economía de esta producción afecta, tecnológica y económicamente, tanto a la producción de azúcar como a la de cal (4).

Por otra parte, la producción de cal provoca un fuerte impacto ambiental tanto por sus características industriales como de extracción minera.

El objetivo de este trabajo es contribuir al aumento de la eficiencia y economía de la producción de cal destinada a la industria azucarera como agente químico y a la reducción del impacto ambiental que provoca, mediante la introducción de los principios de las Producciones mas Limpias (P+L) en la gestión empresarial de esta industria.

DESARROLLO

La cal es el agente químico más ampliamente utilizado en la industria azucarera (2) según se muestra en la Tabla 1, y aún cuando se han probado más de 600 sustancias diferentes para sustituir la cal, esta no ha podido ser sustituida hasta la fecha (2). Por otra parte, existe una relación entre la calidad de la cal y su consumo específico en la industria azucarera, tal como se muestra en la Figura 1 (2).

Tabla 1. Consumo de agentes químicos utilizados en la industria azucarera.

Figura 1. Consumo de cal en función de su calidad.

El consumo de cal en la industria azucarera cubana ha ido incrementándose sostenidamente durante los últimos años, como muestra la Figura 2 (2).

Figura 2. Evolución del consumo anual de cal en los ingenios.

Al observar el grafico anterior, resulta evidente que nada de lo que se ha hecho hasta la fecha ha podido detener el aumento sostenido del consumo de cal en los ingenios, el cual ha alcanzando niveles extraordinariamente altos.

Los efectos que un elevado consumo de cal y la calidad de esta tienen sobre el proceso de fabricación de azúcar, han sido tratados en la literatura especializada. Según Ramón Castro Ruz (1) "… El no haber vigilado la calidad de la cal industrial con destino a la industria azucarera le ha costado a la nación grandes pérdidas…".

Por otra parte, un mayor consumo de cal implica una sobre explotación de la cantera, con el consiguiente aumento de costos y el incremento del impacto ambiental asociado a tal actividad y asociado a la mayor cantidad de desperdicios, generados tanto por la actividad extractiva como por la industrial.

El problema que muestra la Figura anterior tiene múltiples causas (2), (3):

• Baja prioridad de la producción de cal para el MINAZ
• Mala contabilidad de la cal
• Inestabilidad de la molida
• Dificultades con los lazos de regulación de pH
• Mala calidad de la caña
• Deficiente calidad de la cal

Esta última causa está asociada directamente con la explotación de las caleras, y todas las otras están vinculadas al trabajo del MINAZ.

Del análisis de trabajos anteriores (6,7,8,11) puede concluirse que los problemas vinculados con la explotación de las caleras cubanas, resultan del desconocimiento y descontrol técnico con que operan.

El estudio que sigue a continuación le confiere una dimensión real a la magnitud de los problemas a que se hizo referencia. En la Figura 3 se muestran las cuatro operaciones básicas para la producción de cal hidratada. Las entradas al proceso en color verde, el producto terminado en azul y los desperdicios en rojo.

Figura 3: Operaciones básicas de la producción de cal hidratada.

El único indicador utilizado para el control operacional del proceso en las caleras cubanas es el llamado "Indicie de Consumo de Combustible" ( litros de fuel-oil/ t cal hidratada ), el cual resulta de escaso valor por cuanto, por una parte, no tiene en cuenta ni la densidad ni el valor calórico del combustible y, por otra, no se refiere a la cal viva, que es el producto que sale del horno, sino a la cal hidratada que se envasa, la que resulta de adicionarle agua a la cal viva y además se pasa por un proceso de clasificación donde se pierde óxido de calcio, todo lo cual distorsiona la apreciación de la realidad del proceso mediante este índice (3).

No se calculan ni se controlan de ninguna forma las eficiencias de las etapas del proceso, ni en Cuba ni en ninguna otra parte del mundo (10), y, además, el agua para la hidratación de la cal viva se adiciona sin control alguno.

La comparación de los consumos específicos de calor de los diferentes tipos de hornos presentados en la Tabla 2, muestra el alto grado de ineficiencia térmica de los hornos de la calera estudiada, dado por las causas mencionadas anteriormente (5,11) en relación con la explotación actual de estas instalaciones.

Tabla 2. Consumo específico de calor de varios hornos

El estudio llevado a cabo consistió en el desarrollo de expresiones que permitieran calcular la eficiencia de cada una de las etapas del proceso. Se impuso la restricción de que fuera posible obtener todas la variables requeridas en los cálculos, utilizando los equipos de medición y análisis de rutina actuales de las caleras.

A partir de las expresiones obtenidas y mediante métodos de modelación y simulación matemática, se determinaron los parámetros óptimos de operación que maximizaran las eficiencias correspondientes. Esto permitió desarrollar un método para el control operacional de la producción de cal hidratada. A continuación se muestran los resultados obtenidos al aplicar el método propuesto para el control operacional de las caleras en condiciones reales.

Tabla 3: Diferencias entre los valores diarios de producción antes y después de la aplicación del método propuesto

De la tabla anterior se aprecia que aumentó el % CaO en la cal viva (Aq), en el producto terminado (Ap) y disminuyó en los desperdicios (Aw). Aumentó la producción media diaria de cal (Pc) en 2,84 toneladas, a la vez que disminuyó el consumo medio diario de combustible (F) en 1683 litros.

Aumentó la eficiencia de la unidad de molienda y tamizado (h m) en 4,22 %, el rendimiento de la reacción de disociación (Rd) en 2,66 %, la eficiencia térmica del horno (h T ) en 5,16 %, la efectividad térmica del proceso de calcinación (l ) en 1,22 %, la eficiencia de la clasificación (h s) en 17,49 % y se utilizó solo la cantidad de agua requerida para la hidratación (A), de lo cual es una indicación indirecta la calidad de la cal hidratada.

Figura 4: Comparación entre los consumos de combustible aplicando el método propuesto y sin aplicarlo.

En la figura anterior se aprecia que, aparte de la disminución del consumo de combustible, es mas estable la operación de los hornos por cuanto hay menos variaciones en dicho consumo, lo cual también tiene influencia sobre la calidad y cantidad de cal producida.

A partir del mismo consumo de roca caliza, se da el hecho de producir más cal y de mayor calidad, reduciendo el consumo de combustible, todo lo cual reduce los costos de producción de cal y de azúcar, aparte de los beneficios ambientales de aumentar el tiempo de explotación de la cantera y reducir la generación de desperdicios. El hecho de una mayor calidad de la cal producida. implica un menor consumo de este producto en los ingenios.

No obstante, también se trabajó en la dirección de aprovechar los desperdicios que aun se producen, los cuales son de tres tipos:

1. Desperdicios sólidos conteniendo elevada cantidad de caliza sin disociar y cal

2. Emisiones de dióxido de carbono gaseoso

3. Emisiones de cal en polvo a la atmósfera

1. Aprovechamiento de los desperdicios sólidos conteniendo elevada cantidad de caliza sin disociar

Estos desperdicios contienen Ca (OH)2 y caliza sin disociar. La caliza presenta un grado de división equivalente al de la arena para construcciones. En la zona de la fábrica de cal existe un gran yacimiento de una puzolana natural llamada tufita. Las puzolanas son sustancias que en presencia de agua, y a temperatura ambiente, son capaces de reaccionar con el Ca (OH)2 obteniéndose un aglomerante hidráulico.

Partiendo de la información anterior, la idea que se siguió fue mezclar adecuadamente estos desperdicios sólidos de la calera con la tufita para la obtención de morteros secos para albañilería.

Tabla 4: Resultados obtenidos en la preparación de morteros de albañilería sin contener cemento Portland.

En todos los casos las muestras para el laboratorio se prepararon siguiendo las Normas Cubanas de

preparación de tales muestras usando cemento Portland y, también en todos los casos, los resultados se compararon con la Norma Cubana para Morteros de Albañilería.

Tabla 5: Norma Cubana para Morteros de Albañilería NC-52-79-93.

Los resultados obtenidos en mas de 2 400 ensayos realizados permiten afirmar que con el material obtenido se cubren tres de los cuatro grupos de morteros para albañilería que define la NC-52-79-93, precisamente en los grupos donde mas se consumen morteros en la construcción, lo que permite sustituir exitosamente al cemento Portland en tales empeños, reduciendo los costos de la construcción y también de la calera pues en lugar de botar esos desperdicios, es posible convertirlos en un producto vendible.

2. Aprovechamiento de las emisiones de polvos

y CO2.

La reducción de estas emisiones implican una inversión y plantean el problema de cómo disponer del polvo colectado, sin que por estas acciones pueda recuperase lo invertido. En cambio, a partir de estos polvos puede producirse carbonato de calcio precipitado (CCP), el cual encuentra muchas aplicaciones. El CCP es uno producto que reemplaza con éxito al carbonato de calcio molido (CCM), al caolín y al dióxido de titanio en muchas aplicaciones.

La vía más económica para la producción de CCP es la carbonatación de la lechada de cal, utilizando como materias primas la cal viva y los gases de salida de los hornos en los que se produce la cal, haciendo que estos gases, los que contienen CO2, burbujeen a través de la lechada de cal y sean absorbidos por esta, lo que reduce drásticamente la emisión de gases, teniendo lugar la siguiente reacción:

La lechada resultante puede utilizarse directamente, o ser secada y envasada, o ser secada, compactada y envasada en dependencia de los requerimientos del mercado. Por supuesto que los procesos no son tan simples como pueden parecer a primera vista. La experiencia y el conocimiento son claves para dominar todos los detalles del proceso para llevar la reacción hacia el deseado CCP, con una relación mínima potencia/utilidades. En el ICINAZ se han realizado estudios sobre la obtención del CCP, los que pueden servir de base para el desarrollo de una planta de producción.

Esto haría que se eliminaran las emisiones de polvo de cal y se redujeran las de CO2.

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS:

El análisis de las causas del elevado consumo de cal en los ingenios cubanos, permite afirmar que es posible revertir esta situación con muy bajas inversiones, a partir de tres condiciones necesarias para sustentar un despegue de la industria de la cal hacia el aumento de su eficiencia global:

• Aumento de la prioridad de la industria de la cal para el MINAZ
• Desarrollo de un programa centralizado de capacitación del personal dirigente y de tecnología vinculado a la producción de azúcar y de cal
• Introducción de un método de control operacional en las caleras

La mayor dificultad para la introducción de las ideas propuestas ha sido señalada (10), y está dada precisamente por la no comprensión de la necesidad de la introducción de un método de control operacional de la producción de cal (9,10) y de la necesidad del desarrollo del programa de capacitación de referencia, tal como postulan los principios de las Producciones mas Limpias.

Adicionalmente, las ecuaciones para el cálculo de las eficiencias de las etapas del proceso de producción de cal y el método de control desarrollado a partir de estas, resultan una novedad mundial (7). Asociado a lo anterior, también resultan novedades mundiales en este campo el desarrollo del concepto de efectividad térmica del proceso de calcinación de calizas, así como también se probó por primera vez el hecho de que la eficiencia térmica de los hornos de cal no guarda ninguna relación con el % de óxido de calcio aprovechable en la cal viva (Aq), tal como se tenía entendido anteriormente (7).

CONCLUSIONES

La introducción de los conceptos de las P+L en la estrategia empresarial de una fábrica de cal, permiten:

• Reducir la cantidad de desperdicios sólidos
• Reducir las emisiones de dióxido de carbono
• Reducir el consumo de combustibles fósiles
• Reducir las emisiones de polvo
• Aumentar la calidad de los productos
• Aumentar aprovechamiento de la materia prima
• Aumentar la producción
• Diversificar la producción

• Aumentar la rentabilidad de la empresa

RECOMENDACIONES:

Las posibilidades de incrementar la eficacia de las ideas propuestas están dadas por:

• La sistematización de la capacitación
• La sistematización en la aplicación del método de control operacional de la producción de cal
• La vinculación con instituciones científicas y universidades interesadas en la industria de la cal
• El acceso a información técnico-científica actualizada
• El incremento del nivel de instrumentación en las caleras

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Castro Ruz, R., Problemas Fundamentales a Solucionar en la Industria Azucarera, 81 pp., Ediciones Verde Olivo, La Habana, 1996
2. Falcón Piedra, F., Importancia de la Cal en la Fabricación del Azúcar de Caña, 11pp., Imprenta MINAZ, La Habana, 1995
3. Ochoa George, P.A., et.al., Manual de Operaciones para el Proceso de Producción de Cal, 104 pp., Imprenta MINAZ, La Habana, 1995
4. Ochoa George, P.A., The Current Situation of the Lime Industry in Cuba, ZKG International, Germany, 878 (5), 27, 1998
5. Ochoa George, P.A., Analysis and Control Strategies for Lime Production from Calcareous Stone, Memories of XXIII Building Research Seminar at Central Building Research Institute of Roorkee (CBRI), India, 1999.
6. Ochoa George, P.A, Castellanos Álvarez, J.A., Modelo determinístico para el control operacional de la producción de cal, Centro Azúcar, 3 (27) 77, UCLV, Cuba, 2000
7. Ochoa George, P.A, Castellanos Álvarez, J.A., La eficiencia térmica en hornos de cal, Centro Azúcar, 4 (27) 41, UCLV, Cuba, 2000
8. Ochoa George, P.A, Método integral para el control operacional para la producción de cal, Tesis doctoral, Universidad de Cienfuegos, Cienfuegos, Cuba 2000
9. Ochoa George, P.A, Cogollos Martínez, J.B., Fuentes Vega, J.R., Un método para el control operacional de la producción de cal, Abstracts del Seminario Internacional de Energética Azucarera, Palacio de Convenciones, La Habana, 2000
10. Ochoa George, P.A, Cogollos Martínez, J.B., Fuentes Vega, J.R., La influencia de las relaciones causa-efecto sobre la eficiencia de la producción de cal, ZKG International, Germany, 421 (5), 18, 2002
11. Perera González, J.A., et. al., Informe de la evaluación multicriterio del trabajo de la calera perteneciente a la ECMAI Cienfuegos, 73 pp., CEN, Cienfuegos, julio del 2000.

Autor:

Dr. Pedro A. Ochoa George

Universidad de Cienfuegos. MES.

Dr. Juan B. Cogollos Martínez

Universidad de Cienfuegos. MES.

Dr. José R. Fuentes Vega

Universidad de Cienfuegos. MES.