APLICACIÓN HOROMILL vs MOLINO DE BOLAS EN LA

Reyes Bahena, J.L.
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APLICACIÓN HOROMILL vs MOLINO DE BOLAS EN LA MOLIENDA FINA DEL
CEMENTO
Juan Luis Reyes Bahena
Zamarripa 1307-2, Himno Nacional, 78280 San Luis Potosí, S.L.P., México.
Tel (52-444) 1297821, e-mail: [email protected] (Asesor Metalúrgico)
RESUMEN
El rendimiento de la molienda del cemento con Horomill es comparado con
algunos aspectos de la molienda convencional con el molino de bolas en la cual
la alimentación es previamente molida con un molino de rodillo de alta presión
vertical. El análisis de datos mostró que la velocidad de descarga depende la
velocidad de rompimiento, la cual es calculada en base al modelo de mezclado
perfecto, concluyendo que la proporción de partículas finas (< 50 m) es mayor
en la descarga del molino Horomill que en el molino de bolas convencional.
Aproximadamente, el 50.0% en ahorro de energía es observado con el molino
Horomill en comparación con la operación del molino de bolas convencional con
una molienda previa del material crudo en un molino de rodillo de alta presión
vertical.
1.
INTRODUCCION
El proceso de reducción de tamaños es una etapa importante para la evaluación de costos en
cualquier planta de cemento, principalmente en relación con el consumo de energía el cual se
encuentra en el rango de 80 a 90 kW. A principio de los 90’s, la molienda en las plantas de
cemento fue operada principalmente por molinos verticales para la materia prima seguida de
molinos de bolas convencionales para el cemento.
El cemento es producido en molinos de bolas convencionales los cuales son operados en
circuito cerrado con clasificadores dinámicos de aire de alta eficiencia. Los molinos de bolas
convencionales tienen dos compartimentos los cuales son separados por un diafragma de
rejilla por la cual las partículas sometidas a una primera molienda pasan al siguiente
compartimento para una molienda más fina mientras que el producto que sale de la molienda
es definido por una rejilla de descarga.
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Los molinos de bolas convencionales están siendo reemplazados en la actualidad por nuevas
tecnologías tales como los molinos de rodillos de alta presión, molinos verticales y Horomill
debido a un eficiente uso de energía en la reducción de tamaños del cemento.
1.1
Nuevas tecnologías de molienda en cemento
El desarrollo de nuevas tecnologías de molienda en la industria del cemento ha surgido por la
necesidad de optimizar el consumo de energía debido al incremento del costo de energía y la
responsabilidad ambiental por la generación del CO2 que tiene un gran impacta al
calentamiento global del planeta.
La tecnología de molienda ha tenido su desarrollo desde los molinos de bolas convencionales
de dos ó tres compartimentos; hasta la aplicación de los molinos verticales y últimamente con
los molinos Horomill, fabricado por FCB, Francia. La Tabla 1 muestra las ventajas y
desventajas de estas nuevas tecnologías comparadas con el molino de bolas convencional
(Tuñon, 2008).
El ahorro de energía entre los molinos verticales y el Horomill (molino horizontal de rodillo)
es similar, generalmente entre 30.0% y 50.0% menor que el molino de bolas convencional;
pero con una carga circulante moderadamente más alta y una mayor presión de molienda. La
primera aplicación industrial del molino Horomill se llevó a cabo en Trino, Italia con una
capacidad de 25 ton/h (Cordonnier, 1996). Un gran número de aplicaciones industriales de
molinos Horomill en plantas de cemento se han llevado a cabo con éxito en varias partes del
mundo (Marchal, 1997).
Mecánicamente, el Horomill combina el recipiente cilíndrico del molino de bolas y los rodillos
del molino vertical; pero este opera a una presión de molienda mucho menor (Figura 1). El
molino consiste de tres partes principales; alimentación, zona de molienda y descarga. El
material es alimentado por gravedad al Horomill y la cubierta cilíndrica del molino Horomill
gira mucho más rápido que la velocidad crítica del molino el cual permite centrifugar la carga
de material en el interior; mientras que un sistema de raspadores permite quitar toda la carga
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de la pared del cilindro el cual cae en el panel ajustable de control de velocidad de
alimentación.
Tabla 1: Ventajas y desventajas de nuevas tecnologías de molienda
MOLINO DE BOLAS
VENTAJAS
DESVENTAJAS
→ No requiere gases calientes para el secado de las materias primas → Menor eficiencia de molturación (80.0% de la energía disponible
(máximo 5%).
se pierde como energía térmica (calor), ruido y vibración).
→ Tecnologia tradicional debido a la experiencia
→ Mayor consumo de energía eléctrica.
→ Fácil mantenimiento.
→ Diseño no compacto: molienda, separación, secado.
MOLINO VERTICAL
VENTAJAS
DESVENTAJAS
→ Requiere de gases calientes para el secado de las materias
→ Menor consumo de energía eléctrica.
primas.
→ Menor espacio para su instalación.
→ Requiere de mantenimiento calificado.
→ Diseño compacto: muele, seca, separa y transporta al mismo
→ Mayor desgaste de componentes de molturación: mesa, masas
tiempo.
moledoras.
→ Mayor capacidad de secado.
→ Mayor nivel de vibración.
→ Mayor eficiencia de molturación.
→ Requiere inyección de agua para estabilizar la cama de metarial.
MOLINO HOROMILL
VENTAJAS
DESVENTAJAS
→ Menor consumo de energía eléctrica.
→ Tecnología innovadora con menor trayectoria de experiencia.
→ No requiere inyección de agua para estabilizar la cama de
→ Requiere de gases calientes para el secado de las materias
material.
primas.
→ Menor espacio para su instalación.
→ Requiere de mantenimiento calificado.
→ Alimentación al separador por ambos extremos del molino.
→ Mayor costo del equipo.
→ Velocidad de rotación menor a la velocidad crítica del molino.
Figura 1: Molino industrial Horomill
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La posición de panel ajustable determina la velocidad ó el número de veces en que el material
pasa bajo el rodillo; es decir la carga circulante interna. En la zona de molienda, el rodillo
cilíndrico transfiere la potencia de molienda sobre el material; en el cual la altura de la cama
de material en el molino es generado por la acción centrifuga. La presión de molienda varía de
500 a 800 bar.
2.
DATOS EXPERIMENTALES
Varias campañas de muestreo se realizaron durante la operación del molino Horomill (Figura
2) y el molino de bolas convencional de dos compartimentos (Figura 3). En el caso del molino
de bolas convencional; el material crudo fue pre-molido en un molino de rodillo de alta
presión vertical operado en circuito abierto.
Figura 2: Puntos de muestreo del circuito de molienda Horomill
Las muestras fueron tomadas lo más cerca posible a las condiciones de estado estable. La
distribución de tamaños en cada una de las muestras se llevó a cabo mediante la combinación
de técnicas de análisis de cribas y el análisis de difracción de rayos laser. El análisis de cribas
se realizó hasta la fracción de +149m (malla 100); mientras que el análisis por difracción de
rayos laser, se realizó para la fracción -149m.
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Figura 3: Puntos de molienda del circuito de molienda convencional
Las características de operación del molino Horomill son mostradas en la Tabla 2a y del
separador de aire en la Tabla 2b en el circuito de molienda Horomill; mientras que la Tabla 3
muestra las condiciones de operación de los equipos en el circuito de molienda de bolas
convencional.
Tabla 2a: Parámetros del molino Horomill
Diámetro efectivo, m
3.64
Diámetro del rodillo, m
1.82
Longitud efectiva de trabajo del rodillo, m
1.365
Presión nominal , bar
Potencial instalada, kW
220
Slip
ring
2500
Vel. del molino, rpm
35.9
Tipo de motor
Tabla 2b: Parámetros del separador TSV®
Separador TSV®
Valor
Diámetro, m
4
Diámetro del rotor, m
2.79
Diámetro nominal del rotor, m
1.65
Potencia del rotor, kW
62
Velocidad del rotor (min-max), rpm
3
Velocidad de aire nominal, m /h
70-210
165000
Velocidad rotacional nominal, rpm
135
Potencia instalada, kW
132
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Tabla 3a: Parámetros de operación del molino vertical
Diámetro del rodillo, mm
Longitud del rodillo, mm
Capacidad de diseño, ton/h
Potencia del motor, kW
1700
800
240
2*520
Velocidad del motor, rpm
Presión de operación, bar
1770
82
Tabla 3b: Parámetros de operación del molino de bolas
Diámetro efectivo, m
Longitud efectiva, m
Carga de bolas, %
Tam. Máximo de bola, mm
Vel. Crítica, %
Potencia del motor, kW
Compartimento 1
4.6
4.82
30
80
Compartimento 2
4.7
10.25
30
40
76.06
76.88
5400
Tabla 3c: Parámetros de operación del separador SEPOL
Diámetro, m
Diámetro efectivo, m
Diámetro del rotor, m
Altura de jaula, m
Flujo de aire actual, m3/h
Velocidad del motor, rpm
Velocidad del rotor, rpm
Capacidad del ventilador, m3/hr
3.
ANALISIS DE RESULTADOS
3.1
Balance de materia
5.08
4.87
3.5
2.393
145000
1455.8
154.43
434880
Los flujos másicos del circuito de molienda fueron calculados en función de la distribución de
tamaños de todas las corrientes del circuito Horomill y de molienda convencional a través del
simulador JKSimMet (v5.2). Los flujos másicos fueron calculados mediante la minimización
de la suma cuadrada de errores de los datos de las distribuciones de tamaño. La calidad del
balance de masa es analizada mediante la comparación de los datos experimentales y ajustados
(Figura 4 y Figura 5); en la cual los puntos coinciden en una línea de 45°.
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Figura 4: Datos experimentales vs ajustados del circuito de molienda Horomill
Figura 5: Datos experimentales vs ajustados del circuito de molienda convencional
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Las velocidades de rompimiento y las funciones de descarga de los molinos Horomill y de
bola de dos compartimentos fueron directamente calculados del modelo de mezclado perfecto
(Whiten, 1972), representado por la Ecuación (1).
Ec.(1)
Donde
fi
es la fracción en peso del tamaño i en la alimentación.
pi
es la fracción en peso del tamaño i en el producto.
ri
es la velocidad de rompimiento específica del tamaño i.
di
es la velocidad de descarga del tamaño i.
aij
es la fracción en masa del tamaño j que aparece en el tamaño i después del
rompimiento.
La función de distribución de rompimiento fue calculado usando la Ecuación (2).
Ec.(2)
Donde Axy
es la proporción de partículas acumuladas inicialmente del tamaño y el cual
aparece en tamaños más pequeños x después del rompimiento.
Las curvas de eficiencia de clasificación de cualquier clasificador es representado por una
curva de Tromp la cual describe la proporción de un tamaño dado el cual se reporta al
producto grueso (Ecuación 3).
Ec.(3)
Donde
P
es el porcentaje de cualquier fracción de tamaño en la alimentación que pasa al
producto grueso.
U
es el flujo total de partículas en el producto grueso.
F
es el flujo total de partículas en el flujo de alimentación.
ui
es el porcentaje del tamaño i en el producto grueso.
fi
es el porcentaje del tamaño i en el flujo de alimentación.
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3.2
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Comparación de los circuitos de molienda
El producto final de molienda de cemento depende de la fineza o Blaine (cm2/g); es decir,
entre mayor sea el Blaine, mayor será la calidad del cemento. La Figura 6 muestra las
distribuciones de tamaño del circuito Horomill y convencional del producto final del circuito
de molienda. Como puede observarse, la distribución de tamaños del producto final en el
circuito Horomill es mucho mejor que en el circuito convencional.
Figura 6: Distribución de tamaños del producto final en ambos circuitos
Las condiciones de operación de ambos circuitos son comparadas en la Tabla 4; concluyendo
que el circuito Horomill presenta un ahorro del 50.0% en el consumo de energía. Es
importante hacer notar que el tamaño al 80.0% de la alimentación al circuito Horomill es
mucho mayor comparado con el circuito convencional lo que representa 3.2 veces mayor la
razón de reducción de tamaños del circuito Horomill comparado con el circuito convencional.
Así mismo, la cantidad de material fino es mucho mayor en el circuito Horomill el cual tiene
un porcentaje de 1.4% retenido a 45m; mientras que el circuito convencional presenta
valores mayores a 10.6%. El tamaño más fino del producto en el circuito Horomill se atribuye
a una mayor carga circulante (881%) en comparación con el circuito convencional (257%).
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Tabla 4: Características de operación de los dos circuitos de molienda
Horomill®
CPP-30R puzzolanic
87.95
83.18
11.8
5.02
Tipo de cemento
Etapa de pre-molienda
Alimentación, ton/h
Aditivos (clinker+gypsum), ton/h
Puzzolana, %
Polvos de electrofiltro, %
Molino de Bolas
CPP-30R puzzolanic
HPGR
134.88
83.48
16.52
-
®
Tipo de separador
®
TSV
SEPOL
Carga circulante, %
Consumo de energía específico, kWh/ton
Consumo de energía específico (HPGR), kWh/ton
Velocidad crítica, %
881
21.12
161.92
257
38.25
3.1
77.69
Tamaño al 80% en alimentación (F80), mm
13.21
5.62
Tamaño al 80% en producto (P80), mm
0.024
0.033
Producto final (+45µm), %
1.44
10.66
550.42
170.30
Razón de reducción (F80/P80)
La eficiencia de los separadores fue analizada en ambos circuitos de molienda; y los resultados
(Tabla 5 y Figura 7) muestran que el separador TSV® del circuito Horomill es mucho más
eficiente que el separador SEPOL® del circuito convencional. El tamaño d50 corresponde al
50.0% de la alimentación pasando al flujo de gruesos; es decir, es el tamaño que tiene la
misma probabilidad de pasar a los gruesos o finos del separador. De acuerdo a Duhamel y
colaboradores (1997) el by-pass de los separadores SEPOL® debe estar entre 0 a 25.0%;
mientras que el separador TSV® está entre 0 a 20.0%. Bajo este criterio, el separador
SEPOL® está operando eficientemente; sin embargo, el separador TSV® presenta un valor
alto de by-pass por lo que podría la operación de este separador podría ser mejorado.
Tabla 5: Parámetros de las curvas de eficiencia en los separadores
d50 (µm)
By-pass (C)
Fish-hook (β)
Sharpness
(κ=d25/d75)
TSV®
SEPOL®
Actual Corregida Actual Corregida
23.33
26.98
25.41
30.62
23.29
18.69
1.99
2.06
0.95
1.17
0.32
0.58
0.33
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La pendiente de la curva de eficiencia en la Figura 7, define la eficiencia de separación. Como
se observa en esta figura, la pendiente del separador TSV® es mayor que la del separador
SEPOL® y por tal, la eficiencia del separador TSV® es alta.
Figura 7: Curva de eficiencia actual de los separadores de aire
4.
CONCLUSIÓN
Los dos circuitos de molienda proporcionan diferentes eficiencias de reducción de tamaños y
por tal diferentes consumos de energía son observados. Estas diferencias están asociadas a las
diferentes características de operación y de diseño de los equipos involucrados en ambos
circuitos por lo que es difícil hacer una directa comparación entre el molino Horomill y el
molino de bolas convencional de dos compartimentos en términos del consumo de energía. Sin
embargo, los datos analizados en este trabajo proporcionan información importante sobre las
características de estas dos tecnologías de molienda.
5.
REFERENCIAS
Cordonnier, A., A new grinding process: HOROMILL, International Journal of Mineral Processing,
v44-45: 597-606, 1996.
Duhamel, Ph., Cordonnier, A., Lernaire, D., The current state development of the TSV high-efficiency
dynamic classifier, ZKG International, 1997.
Marchal, G., Industrial experience with clinker grinding in the Horomill®, XXXIX Cement Industry
Technical Conference, Hershey, PA, USA, 20-24 Abril, 1997.
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Tuñon, A.A., Ahorro de energía en la industria del cemento: Molino de cemento Horomill, 1er
Simposio Internacional sobre Energía: La industria frente al reto energético, Panamá, 08-09
Octubre, 2008.
Whiten, W.J., A model for simulating crushing plants, Journal of South African Institute of Mining and
Metallurgy, v72: 257-264, 1972.
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