Utilización de la vinaza de destilería como fluidizante para pastas crudas de cemento

1. Resumen
3. Descripción del proceso
4. Análisis de los resultados
5. Conclusiones
6. Bibliografía

Resumen

En el presente trabajo se hace un estudio técnico económico sobre el uso de la vinaza procedente de la destilería Paraíso, como fluidizante para pastas crudas de cemento, dada la proximidad geográfica de la fábrica de cemento húmedo "Siguaney" situada a 12 Km de distancia. De esta forma se obtiene un ahorro de 185 kcal/kg clínker al obtenerse una pasta con 34 % de humedad, medida en la escala de feel Smith.

Para su análisis se consideran dos alternativas: transporte por carretera y la construcción de un mostoducto, formándose 12 combinaciones posibles en cuanto a material a utilizar, tipo de transporte y capacidad de producción.

La alternativa más factible fue el transporte por tuberías de asbesto cemento, con un diámetro de 8 pulgadas. Es el más factible económicamente(VAN positivo y período de retorno menor de dos años), aunque habría que hacer un análisis más exhaustivo en cuanto a la agresividad del medio y a las propiedades del cemento necesarias para lograr mayor resistencia en el clínker ; también es necesario tener en cuenta el costo ambiental causado al medio y el impacto positivo por este concepto.

Introducción

Las vinazas de destilería son los residuales de mayor agresividad y carga orgánica que genera la industria azucarera en su conjunto (MINAZ. 1995), los que se producen en una proporción de 12 a 15 l por cada litro de alcohol producido y una agresividad de 60 000 a 150 000 mg DQO/l, casi mil veces mayor que la permitida por la normatividad.   La solución de esta problemática debe apoyarse fundamentalmente en medidas para la reducción del volumen y agresividad de los mostos y alternativas de aprovechamiento como: utilización en el biogas, recirculación de un % de vinaza a la fermentación, fertilizante orgánico, en la obtención de proteína celular, concentrándolo para alimento animal. Se ha determinado, sin embargo, que no hay respuestas sencillas para una solución técnica y económicamente adecuada en el problema de la vinaza. Investigadores americanos de la empresa Bacardí de Puerto Rico, brasileños, venezolanos, mexicanos, cubanos, se han dado a la tarea, desde hace más de 20 años de estudiar las soluciones más viables, técnica y económicamente, y es posible afirmar que una solución global se torna muy difícil. En caso de que no se considere el procesamiento de la vinaza para su recuperación y venta de productos derivados, el tratamiento para el control de la contaminación de la vinaza repercutirá en el precio del alcohol anhidro o del 96 % por su elevado costo. (Campos 1995)

 En la fábrica de cemento Siguaney se han realizado estudios por varios años en la utilización de la vinaza como fluidizante de pastas crudas de cemento en sustitución del agua, estudios más recientes hechos sobre esta alternativa se abordarán en el presente trabajo.

Desarrollo 

Descripción del proceso:

La industria de cemento se encuentra considerada, dentro de las ramas productivas de nuestro país, como una de las más grandes consumidoras de energía en todas sus formas, incidiendo estos altos consumos como uno de los componentes fundamentales en el costo de fabricación del producto.

 En la fábrica de cemento Siguaney se utiliza el proceso húmedo para la fabricación de cemento Portland, con un consumo de energía de 1250-1400 Kcal/Kg clínker. En este tipo de proceso la materia prima después de triturada se prepara fundamentalmente a base de agua, con el objetivo de lograr una buena homogenización y fácil transportación. Luego pasa al molino de bolas , donde se adiciona el mineral de Fe, obteniéndose una pasta cruda o fango, constituida por un conjunto de granos sólidos arcillos-calcáreos en suspensión con el agua. Por esto presenta propiedades reológicas que la diferencian de los fluidos corrientes : agua, aire, que son newtonianos, ella pertenece al grupo de los fluidos plásticos y posee una resistencia física de plasticidad. Esto significa que hay que aplicar un esfuerzo de cizallamiento superior a un valor límite para que la pasta pueda fluir. Es por todo lo planteado que se diluye la arcilla con una cantidad de agua mínima que permita una fluidez de 3,5 cm- 3,7 cm en la escala de Feel Smith.

 Luego esta pasta es bombeada hacia los silos , donde se analiza y se dosifica (76 %de CaCO3), vertiéndola en unos homogenizadores. Posteriormente, es alimentada a los hornos, en los cuales sufre una serie de transformaciones y reacciones mediante el uso de temperaturas elevadas (140-1500oC) . Por último, sale el clínker , enfriándose en enfriadores de parrillas, se almacena varios días y seguidamente es molido con un 5 % de yeso para obtener el cemento.

 Las reacciones que ocurren en el horno son muy diversas y están determinadas por la humedad de la pasta a la entrada. Los calores que por tanto intervendrán , serán los siguientes :

 Q1 : calor de formación del clínker.

Q2 : calor que se pierde con el CO2.

Q3 : calor que se pierde con el clínker.

Q4 : calor necesario para evaporar el agua.

Q5 : calor para sobrecalentar.

Q6 : calor perdido con los gases de combustión.

Q7 : calor que se pierde por radiación.

 De todos estos calores, variarán con el % de humedad en la pasta Q4 y Q5., obteniéndose nomograma () que es mostrado en el anexo 1. El % de humedad en la pasta cruda de cemento debe estar alrededor del 34-36 % , valores por encima llevarían a un aumento del consumo de combustible.

 Una alternativa para disminuir el % de humedad en la pasta consiste en la utilización de aditivos denominados fluidizantes , los cuales permitirían alcanzar el % de fluidez necesario con un menor contenido de agua en la pasta. El empleo de estos aditivos es rentable solamente si la economía realizada en el combustible ( menos agua para evaporar), es superior al gasto de compra del fluidizante y de transportación. ()

 Pruebas industriales realizadas en la fábrica de cemento Siguaney de Sancti Spíritus, utilizando vinaza de la destilería El Paraíso como fluidizante permitieron obtener la fluidez necesaria con 34 % de humedad en pasta ( 6 % menos que la normal), además de incorporar sólidos en el horno, permitiendo, por estas dos razones una disminución en el consumo de combustible.

 El mosto, como también se le conoce, es un desecho viscoso, de color carmelita oscuro. Muy corrosivo a temperatura y concentraciones altas, por lo que se dificulta su transportación y almacenamiento. Sus características varían de acuerdo a la materia prima utilizada y a la eficiencia del proceso.

 A continuación presentamos una caracterización recogida en la literatura (MINAZ. 1995) :

 Tabla 1: Características de la vinaza de una destilería cubana.

  En la destilería los mostos son vertidos a un sistema de lagunas que, producto de la alta carga orgánica y el mal funcionamiento, producen malos olores, fundamentalmente durante la noche. Unido a esta problemática la escasez de áreas de riego que le permitan el uso del suelo para su disposición final ha ocasionado contaminaciones al río y al suelo.

Alternativas para la transportación de la vinaza:  

La destilería "El Paraíso" se encuentra a 12 Km. de la fábrica de cemento Siguaney, las vías para el traslado de mosto son:

• Ferrocarril.
• Automotor. (Transporte por carretera)
• Mostoducto.(Transporte por tubería)

Ferrocarril: La línea que une estas fábricas sigue un recorrido de 16 Km. Se plantea por directiva dirigida al Taller del MINAZ Provincial de que sólo para distancias grandes, a partir de 60 Km es factible el ferrocarril. Esta alternativa tiene además el inconveniente de que se necesitarían 50 vagones de 60 000 l de capacidad, valorando tiempo de carga, descarga, movimiento y roturas, a un precio estimado en $ 30 000 (MN) cada uno, sería necesario un capital inicial de $1 500 000.

Además presenta el inconveniente de la descomposición en los vagones del mosto, provocando molestias y cambios en su composición.

Carretera: Es necesario utilizar pipas recubiertas en su interior con acero engomado debido a las características del mosto. Se necesitan 5 pipas de 20 m3 de capacidad, a un precio de $ 48 000 USD cada una, según información brindada por DIVEP. Para los cálculos se tomó un índice de consumo de combustible de 0,51 l/Km., a un precio de $0,2405 USD/l, (Transporte MINAZ).

Mostoducto: Para su análisis, se realizaron los siguientes estudios técnicos:

1. Estimado del perfil de bombeo, teniendo en cuenta las curvas de nivel, con el fin de llegar a un compromiso entre el camino que ocasionará el menor impacto ambiental, ya que debe atravesar campos de caña, lomas, poblados, río, etc y el mínimo costo de bombeo. Se revisaron mapas topográficos a diferentes escalas: 1: 10 000, 1: 20 000, 1:5000 y fotos del área, con la colaboración de GEOCUBA.
2. Selección del material, la información recogida en la bibliografía (Gil, 1989 y Vilurbina, 1990) propone la utilización de materiales no conductores de la electricidad: plásticos, cerámicos, amianto, cementos con características especiales y otras sustancias inertes. Para el trabajo se escogieron, por su disponibilidad, costo y durabilidad: asbesto cemento, PVC (policloruro de vinilo) y fibra de vidrio.
3. Selección del diámetro óptimo, la utilización del diámetro óptimo de conducción permite reducir el consumo energético, puesto que una tubería infradimesionada provoca, entre otros efectos, un exceso de consumo energético en el bombeo. Son varios los criterios reportados por la literatura (Pérez, 1966; IDAE, 1989) para su determinación, dentro de ellos IDAE, 1989 y González, 1987 se refieren a la obtención de fórmulas que relacionen el costo total con un rango de diámetros seleccionados, de acuerdo al Límite práctico de velocidad de agua en tubería que no es prudente sobrepasar (Pavlov, 1981. El óptimo obtenido vendrá dado por:

Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

, el cual puede ser determinado gráficamente o analíticamente.

De esta forma, con el objetivo de encontrar la variante más atractiva económicamente y ambientalmente, se forman todas las combinaciones posibles en cuanto a materiales, modo de transportación y capacidad de producción:

• Proyecto # 1. Asbesto cemento, 500 t clínker diario.
• Proyecto # 2. Asbesto cemento, 1000 t clínker diario.
• Proyecto # 3. Asbesto cemento, 1500 t clínker diario.
• Proyecto # 4. PVC, 500 t clínker diario.
• Proyecto # 5. PVC, 1000 t clínker diario.
• Proyecto # 6. PVC, 1500 t clínker diario.
• Proyecto # 7. FV, 500 t clínker diario.
• Proyecto # 8. FV, 1000 t clínker diario.
• Proyecto # 9. FV, 1500 t clínker diario.
• Proyecto # 10. Carretera, 500 t clínker diario.
• Proyecto # 11. Carretera, 1000 t clínker diario.
• Proyecto # 12. Carretera, 1500 t clínker diario

 El análisis de la Alternativa más factible se realizó con la ayuda del STORM a partir de los siguientes criterios :

• Tasa de Eficiencia (TE)
• Período de recuperación.
• Valor Actual neto. 

Análisis de los resultados : 

Siguiendo la metodología explicada anteriormente se obtuvo gráficamente el diámetro óptimo para cada material : 

 Los resultados, tabulados a continuación (anexo 1) , muestran que de los tres materiales analizados, la fibra de vidrio presenta el mayor capital fijo invertido seguida por PVC y el asbesto cemento, correspondiéndose con el precio de los materiales : 74, 39 y 1.5 $/m de tubería, respectivamente.

 En la comparación entre los tres materiales (anexo 2) se obtienen mejor resultados para el asbesto cemento(AC) en las tres variantes analizadas (1horno, 2 hornos y tres hornos), con el inconveniente de ser el material de menor resistencia a la corrosión del medio. El PVC y la fibra de vidrio son más resistentes pero la inversión se recupera en 10 años o más, trabajando la fábrica a plena capacidad , lo cual no ha ocurrido nunca en los últimos 4 años. 

El Van siempre fue positivo para AC y el período de recuperación es menor a dos años. El transporte por carretera fue factible para las 3 variantes , el Van se mantuvo positivo y el período de recuperación oscila entre 1 y 5 años. Los resultados del análisis económico y de factibilidad se muestran los anexos 3 y 4, respectivamente.

 Concluyendo, el transporte por tubería es el más factible económicamente, aunque habría que hacer un análisis más exhaustivo en cuanto a la agresividad del medio y a las propiedades del cemento necesarias para lograr mayor resistencia en el clínker . También es necesario tener en cuenta el costo ambiental causada al medio y el impacto positivo por este concepto. Este estudio en caso de no ser beneficioso ambientalmente para el mostoducto, nos llevaría a utilizar la vía automotriz, comprándose 4 pipas de acero engomado.  

Sin embargo, es muy difícil hacer un análisis económico, donde se tengan en cuenta todos los factores ambientales afectados, no solo los del tipo físico químicos, ecológicos y socioeconómicos, sino también el impacto causado sobre la salud pública: la calidad sanitaria del ambiente, servicios de salud, población. La realización de las relaciones causa-efecto de tipo estrictamente cuantitativo son imposibles , "en esto coinciden todos los técnicos, pero los administradores quieren una mayor concreción de los datos, la frialdad de un número". El francés Danzanvilliers (1990) puso el dedo en la llaga, cuando al analizar el impacto medioambiental de las autopistas, abogó decididamente por las evaluaciones cualitativas diciendo: "no es científicamente demostrable que un impacto en un elemento sea, por ejemplo, 3 veces mayor que el otro…".

 Conclusiones

1. La alternativa de Transporte por tuberías del mosto de la destilería Paraíso para utilizarlo como fluidizante en la Fábrica de cemento Siguaney, con 12 Km de recorrido, alcanzó el costo mínimo para tubos con un diámetro de 0,201; 0,129 y 0,129 m con materiales de: Asbesto Cemento, Fibra de Vidrio, y PVC, respectivamente.
2. La utilización del mosto como fluidizante en la fábrica de cemento Siguaney permite ahorrar anualmente $219 348.7159, $438 697.4318 y 658 046.1477, para una producción de uno, dos y tres hornos, respectivamente, sobre la base de una disminución de la humedad de la pasta con igual nivel de fluidez.
3. La utilización de un mostoducto de asbesto cemento fue la alternativas más atractiva económicamente de acuerdo a los criterios dinámicos estudiados.

 Bibliografía : 

2. Torres Triana, A."Nomogramas que facilitan el balance térmico de los hornos de cemento".Rev. Energía.1987.
3. Cost Engineering in the process industries edited by Cecil H. Chilton and the Staff of Mc Graw Hill Book Company.
4. Warring, R. H. ."Selección de bombas, sistemas y aplicaciones". Edit. Babor. SA.
5. Corripio A.. "Estimate cost of centrifugal pumps and electric motors ". Originally published fbruary, 1982.
6. Brasil acucareiro. "Ensayo de perdida de carga para vinaza de destilería". 1981

1.  MINAZ. 1995. "Tratamiento de los desechos de las fábricas de producción de alcohol a partir de mieles de caña de azúcar mediante la recuperación de levadura Saccharomyces y la producción de biogás". Ciudad de la Habana.

 Autor:

Mr Sc Lisbet Mailin López González

Dra María Teresa Hernández Nodarse

Mr Sc Zenaida Herrera Rodríguez