Los hornos de cemento se utilizan para la etapa de piroprocesamiento de la fabricación de cemento Portland y otros tipos de cemento hidráulico , en la que el carbonato de calcio reacciona con minerales que contienen sílice para formar una mezcla de silicatos de calcio . Cada año se fabrican más de mil millones de toneladas de cemento, y los hornos de cemento son el corazón de este proceso de producción: su capacidad suele definir la capacidad de la planta de cemento. Como etapa principal de la fabricación de cemento que consume energía y emite gases de efecto invernadero, la mejora de la eficiencia del horno ha sido la preocupación central de la tecnología de fabricación de cemento. Las emisiones de los hornos de cemento son una fuente importante de emisiones de gases de efecto invernadero y representan alrededor del 2,5% de las emisiones de carbono no naturales en todo el mundo. [1]
Un proceso típico de fabricación consta de tres etapas:
En la segunda etapa, la mezcla cruda se introduce en el horno y se calienta gradualmente por contacto con los gases calientes de la combustión del combustible del horno . A medida que aumenta la temperatura de la mezcla cruda se producen sucesivas reacciones químicas:
La alita es el constituyente característico del cemento Portland . Normalmente, se requiere una temperatura máxima de 1400 a 1450 °C para completar la reacción. La fusión parcial hace que el material se agregue en grumos o nódulos, típicamente de 1 a 10 mm de diámetro. Esto se llama clinker. A continuación, el clinker caliente cae en un refrigerador que recupera la mayor parte de su calor y lo enfría a unos 100 °C, temperatura a la que puede transportarse cómodamente al almacenamiento. El sistema del horno de cemento está diseñado para realizar estos procesos.
El clinker de cemento Portland se fabricó por primera vez (en 1825) en una forma modificada del tradicional horno de cal estático . [2] [3] [4] El horno de cal básico, con forma de huevera, estaba provisto de una extensión cónica o en forma de colmena para aumentar el tiro y así obtener la temperatura más alta necesaria para fabricar clinker de cemento. Durante casi medio siglo, este diseño, y modificaciones menores, siguió siendo el único método de fabricación. El tamaño del horno estaba restringido por la resistencia de los trozos de mezcla cruda: si la carga en el horno colapsaba por su propio peso, el horno se apagaría. Por esta razón, los hornos colmena nunca produjeron más de 30 toneladas de clinker por lote. Un lote tardaba una semana en prepararse: un día para llenar el horno, tres días para quemarlo, dos días para enfriarlo y un día para descargarlo. Así, un horno produciría unas 1.500 toneladas al año.
Hacia 1885 comenzaron los experimentos sobre el diseño de hornos continuos. Uno de los diseños fue el horno de cuba, similar en diseño a un alto horno. Por arriba se añadía continuamente mezcla cruda en forma de grumos y combustible y por abajo se retiraba continuamente clinker. Se soplaba aire bajo presión desde la base para quemar el combustible. El horno de cuba tuvo un breve período de uso antes de ser eclipsado por el horno rotatorio, pero tuvo un renacimiento limitado a partir de 1970 en China y otros lugares, cuando se utilizó para plantas de pequeña escala y de baja tecnología en áreas rurales alejadas de rutas de transporte. En China se construyeron varios miles de hornos de este tipo. Un horno de cuba típico produce entre 100 y 200 toneladas por día.
A partir de 1885 se iniciaron las pruebas para el desarrollo del horno rotatorio , que hoy representa más del 95% de la producción mundial.
El horno rotatorio consta de un tubo fabricado con chapa de acero y revestido con ladrillo refractario . El tubo se inclina ligeramente (1 a 4°) y gira lentamente sobre su eje entre 30 y 250 revoluciones por hora. Rawmix se introduce por el extremo superior y la rotación del horno hace que se mueva gradualmente cuesta abajo hasta el otro extremo del horno. En el otro extremo se inyecta combustible, en forma de gas, petróleo o combustible sólido pulverizado, a través del "tubo del quemador", produciendo una gran llama concéntrica en la parte inferior del tubo del horno. A medida que el material se mueve bajo la llama, alcanza su temperatura máxima, antes de caer del tubo del horno al enfriador. El aire pasa primero a través del enfriador y luego a través del horno para la combustión del combustible. En el refrigerador, el aire es calentado por el clinker enfriado, de modo que puede alcanzar entre 400 y 800 °C antes de entrar en el horno, provocando así una combustión intensa y rápida del combustible.
Los primeros hornos rotativos exitosos se desarrollaron en Pensilvania alrededor de 1890, basados en un diseño de Frederick Ransome , [5] y tenían aproximadamente 1,5 m de diámetro y 15 m de longitud. Un horno de este tipo producía unas 20 toneladas de clinker al día. El combustible, inicialmente, era petróleo, que estaba fácilmente disponible en Pensilvania en ese momento. Fue especialmente fácil conseguir una buena llama con este combustible. En los diez años siguientes se desarrolló la técnica de quemar carbón pulverizado, lo que permitió utilizar el combustible más barato disponible. En 1905, los hornos más grandes tenían un tamaño de 2,7 x 60 m y producían 190 toneladas por día. En aquella fecha, después de sólo 15 años de desarrollo, los hornos rotativos representaban la mitad de la producción mundial. Desde entonces, la capacidad de los hornos ha aumentado constantemente y los hornos más grandes producen hoy alrededor de 10.000 toneladas por día. A diferencia de los hornos estáticos, el material pasa rápidamente: tarda desde 3 horas (en algunos hornos antiguos de proceso húmedo) hasta tan solo 10 minutos (en los hornos de precalcinación cortos). Los hornos rotatorios funcionan las 24 horas del día y, por lo general, se detienen solo durante unos días una o dos veces al año para realizar un mantenimiento esencial. Uno de los principales trabajos de mantenimiento de los hornos rotativos es el mecanizado y rectificado de superficies de neumáticos y rodillos, que se pueden realizar mientras el horno funciona en pleno funcionamiento a velocidades de hasta 3,5 rpm. Esta es una disciplina importante, porque el calentamiento y el enfriamiento son procesos largos, derrochadores y dañinos. Se han logrado ejecuciones ininterrumpidas de hasta 18 meses.
Desde los primeros tiempos, se utilizaron dos métodos diferentes de preparación de la mezcla cruda: los componentes minerales se molían en seco para formar un polvo parecido a la harina, o se molían en húmedo con agua añadida para producir una suspensión fina con la consistencia de una pintura, y con un contenido de agua típico del 40 al 45%. [6]
El proceso húmedo tenía la evidente desventaja de que, cuando se introducía la lechada en el horno, se utilizaba una gran cantidad de combustible extra para evaporar el agua. Además, se necesitaba un horno más grande para una determinada producción de clinker, porque gran parte de la longitud del horno estaba destinada al proceso de secado. Por otro lado, el proceso húmedo tenía una serie de ventajas. La molienda húmeda de minerales duros suele ser mucho más eficaz que la molienda seca. Cuando la lechada se seca en el horno, forma una migaja granular que es ideal para su posterior calentamiento en el horno. En el proceso seco, es muy difícil mantener la mezcla cruda de polvo fino en el horno, porque los gases de combustión que fluyen rápidamente tienden a expulsarlo nuevamente. Se convirtió en una práctica rociar agua en los hornos secos para "humedecer" la mezcla seca y, por lo tanto, durante muchos años hubo poca diferencia en la eficiencia entre los dos procesos, y la inmensa mayoría de los hornos utilizaban el proceso húmedo. En 1950, un típico horno grande de proceso húmedo, equipado con intercambiadores de calor de zona de secado, tenía un tamaño de 3,3 x 120 m, producía 680 toneladas por día y utilizaba entre 0,25 y 0,30 toneladas de combustible de carbón por cada tonelada de clínker producida. Antes de que la crisis energética de la década de 1970 pusiera fin a las nuevas instalaciones de proceso húmedo, los hornos de hasta 5,8 x 225 m producían 3.000 toneladas por día.
Una nota interesante sobre la historia de los procesos húmedos es que algunos fabricantes, de hecho, han hecho rentables instalaciones de procesos húmedos muy antiguas mediante el uso de combustibles residuales . Las plantas que queman combustibles residuales disfrutan de un coste de combustible negativo (las pagan las industrias que necesitan deshacerse de materiales que tienen contenido energético y pueden eliminarse de forma segura en el horno de cemento gracias a sus altas temperaturas y tiempos de retención más prolongados). Como resultado, la ineficiencia del proceso húmedo es una ventaja para el fabricante. Al ubicar las operaciones de quema de residuos en lugares de proceso húmedo más antiguos, un mayor consumo de combustible en realidad equivale a mayores ganancias para el fabricante, aunque produce en consecuencia mayores emisiones de CO 2 . Los fabricantes que piensan que tales emisiones deberían reducirse están abandonando el uso del proceso húmedo.
Es significativo que en la década de 1930 se hicieran en Alemania los primeros intentos de rediseñar el sistema del horno para minimizar el desperdicio de combustible. [7] Esto condujo a dos acontecimientos importantes:
El precalentador de parrilla consta de una cámara que contiene una parrilla móvil de acero de alta temperatura en forma de cadena, unida al extremo frío del horno rotatorio. [8] Una mezcla cruda en polvo seco se convierte en gránulos duros de 10 a 20 mm de diámetro en una cubeta de nodulización, con la adición de un 10 a un 15 % de agua. Los pellets se cargan en la parrilla móvil y los gases de combustión calientes de la parte trasera del horno pasan a través del lecho de pellets desde abajo. Esto seca y calcina parcialmente la mezcla cruda de manera muy eficiente. Luego los pellets caen al horno. Del horno sale muy poco material en polvo. Debido a que la mezcla cruda se humedece para hacer gránulos, esto se conoce como proceso "semiseco". El precalentador de parrilla también es aplicable al proceso "semihúmedo", en el que la mezcla cruda se prepara como una lechada, que primero se deshidrata con un filtro de alta presión y la "revoque de filtración" resultante se extruye en gránulos. , que se alimentan a la parrilla. En este caso, el contenido de agua de los pellets es del 17-20%. Los precalentadores de parrilla fueron más populares en las décadas de 1950 y 1960, cuando un sistema típico tenía una parrilla de 28 m de largo y 4 m de ancho y un horno rotatorio de 3,9 x 60 m, produciendo 1050 toneladas por día, usando alrededor de 0,11 a 0,13 toneladas de combustible de carbón por cada tonelada de clinker producida. Se instalaron sistemas de hasta 3000 toneladas por día.
El componente clave del precalentador de suspensión de gas es el ciclón . Un ciclón es un recipiente cónico por el que pasa tangencialmente una corriente de gas que contiene polvo. Esto produce un vórtice dentro del recipiente. El gas sale del recipiente a través de un "buscador de vórtices" coaxial. Los sólidos son arrojados al borde exterior del recipiente por acción centrífuga, y salen a través de una válvula situada en el vértice del cono. Los ciclones se utilizaron originalmente para limpiar los gases cargados de polvo que salían de simples hornos de proceso seco. Si, en cambio, toda la alimentación de la mezcla cruda se fuerza a pasar a través del ciclón, se produce un intercambio de calor muy eficiente: el gas se enfría eficientemente, produciendo así menos desperdicio de calor a la atmósfera, y la mezcla cruda se calienta eficientemente. La eficiencia de la transferencia de calor aumenta aún más si se conectan varios ciclones en serie.
El número de etapas de ciclones utilizadas en la práctica varía de 1 a 6. Se requiere energía, en forma de potencia de ventilador, para arrastrar los gases a través de la cadena de ciclones, y en una cadena de 6 ciclones, el costo del ventilador adicional -la potencia necesaria para un ciclón adicional supera la ventaja de eficiencia obtenida. Es normal utilizar gases de escape calientes para secar las materias primas en el molino , y si las materias primas están húmedas, es deseable utilizar gas caliente de un precalentador menos eficiente. Por este motivo, los precalentadores de suspensión más habituales tienen 4 ciclones. La alimentación caliente que sale de la base de la sarta del precalentador suele estar calcinada en un 20%, por lo que el horno tiene menos procesamiento posterior que realizar y, por lo tanto, puede lograr una producción específica más alta. Los grandes sistemas típicos instalados a principios de la década de 1970 tenían ciclones de 6 m de diámetro y un horno rotatorio de 5 x 75 m, que producían 2.500 toneladas por día y utilizaban entre 0,11 y 0,12 toneladas de combustible de carbón por cada tonelada de clínker producida.
Una penalización por la eficiencia de los precalentadores de suspensión es su tendencia a bloquearse. Las sales, como el sulfato y el cloruro de sodio y potasio, tienden a evaporarse en la zona de combustión del horno. Se devuelven en forma de vapor y se vuelven a condensar cuando se alcanza una temperatura suficientemente baja. Debido a que estas sales recirculan nuevamente hacia la mezcla cruda y vuelven a ingresar a la zona de combustión, se establece un ciclo de recirculación. Un horno con 0,1 % de cloruro en la mezcla cruda y clinker puede tener un 5 % de cloruro en el material a mitad del horno. La condensación generalmente ocurre en el precalentador, y un depósito pegajoso de sales líquidas pega la mezcla cruda polvorienta en un depósito duro, generalmente en las superficies contra las cuales impacta el flujo de gas. Esto puede obstruir el precalentador hasta el punto de que ya no se pueda mantener el flujo de aire en el horno. Entonces es necesario eliminar manualmente la acumulación. Las instalaciones modernas suelen tener dispositivos automáticos instalados en los puntos vulnerables para eliminar periódicamente las acumulaciones. Un enfoque alternativo es "purgar" parte del escape del horno en la entrada del horno, donde las sales todavía están en la fase de vapor, y eliminar y desechar los sólidos que contiene. Esto generalmente se denomina "purga de álcali" y rompe el ciclo de recirculación. También puede resultar ventajoso por motivos de calidad del cemento, ya que reduce el contenido de álcali del clínker. El contenido de álcali es una propiedad crítica del cemento. De hecho, el cemento con un contenido de álcali demasiado alto puede provocar una reacción álcali-sílice dañina (ASR) en el hormigón elaborado con agregados que contienen sílice amorfa reactiva . El gel de sílice de sodio higroscópico e hinchable se forma dentro de los agregados reactivos que desarrollan fisuras internas características. Esta reacción química expansiva que ocurre en la matriz del concreto genera una alta tensión de tracción en el concreto y crea grietas que pueden arruinar una estructura de concreto. Sin embargo, el gas caliente se desperdicia, por lo que el proceso es ineficiente y aumenta el consumo de combustible del horno.
En la década de 1970, el precalcinador fue pionero en Japón y posteriormente se convirtió en el equipo elegido para nuevas grandes instalaciones en todo el mundo. [9] El precalcinador es una evolución del precalentador de suspensión. La filosofía es la siguiente: la cantidad de combustible que se puede quemar en el horno está directamente relacionada con el tamaño del horno. Si parte del combustible necesario para quemar la mezcla cruda se quema fuera del horno, la producción del sistema se puede aumentar para un tamaño de horno determinado. Los usuarios de precalentadores de suspensión descubrieron que la producción podía aumentarse inyectando combustible adicional en la base del precalentador. El desarrollo lógico fue instalar una cámara de combustión especialmente diseñada en la base del precalentador, en la que se inyecta carbón pulverizado . Esto se conoce como precalcinador "de paso de aire", porque el aire de combustión tanto para el combustible del horno como para el combustible del calcinador pasa a través del horno. Este tipo de precalcinador puede quemar hasta el 30% (normalmente el 20%) de su combustible en el calcinador. Si se inyectara más combustible en el calcinador, la cantidad extra de aire aspirada a través del horno enfriaría excesivamente la llama del horno. La alimentación se calcina entre un 40% y un 60% antes de ingresar al horno rotatorio.
El último desarrollo es el precalcinador "separado por aire", en el que el aire de combustión caliente para el calcinador llega por un conducto directamente desde el enfriador, sin pasar por el horno. Normalmente, entre el 60% y el 75% del combustible se quema en el precalcinador. En estos sistemas, la alimentación que ingresa al horno rotatorio está 100% calcinada. El horno sólo tiene que elevar la alimentación a la temperatura de sinterización. En teoría, la máxima eficiencia se lograría si todo el combustible se quemara en el precalentador, pero la operación de sinterización implica fusión parcial y nodulización para producir clinker, y la acción de rodadura del horno rotatorio sigue siendo la forma más eficiente de hacerlo. Las grandes instalaciones modernas suelen tener dos cadenas paralelas de 4 o 5 ciclones, una conectada al horno y la otra a la cámara del precalcinador. Un horno rotatorio de 6 x 100 m produce entre 8.000 y 10.000 toneladas por día, utilizando entre 0,10 y 0,11 toneladas de carbón por cada tonelada de clínker producida. El horno queda eclipsado por la enorme torre de precalentador y enfriador de estas instalaciones. Un horno de este tipo produce 3 millones de toneladas de clinker al año y consume 300.000 toneladas de carbón. Un diámetro de 6 m parece ser el límite de tamaño de los hornos rotatorios, porque la flexibilidad de la carcasa de acero se vuelve inmanejable a este tamaño o por encima de él, y el revestimiento de ladrillo refractario tiende a fallar cuando el horno se flexiona.
Una ventaja particular del precalcinador con separación de aire es que una gran proporción, o incluso el 100%, de los gases de escape del horno cargados de álcali se pueden extraer como purga de álcali (ver arriba). Debido a que esto representa sólo el 40% de la entrada de calor del sistema, se puede hacer con un menor desperdicio de calor que en una simple purga del precalentador de suspensión. Por este motivo, hoy en día siempre se prescriben precalcinadores con separación de aire cuando en una planta de cemento sólo se dispone de materias primas con alto contenido de álcali.
Las cifras adjuntas muestran el movimiento hacia el uso de procesos más eficientes en América del Norte (para los cuales hay datos disponibles). Pero la producción promedio por horno en Tailandia , por ejemplo, es el doble que en América del Norte.
Los equipos esenciales además del tubo del horno y el precalentador son:
Los primeros sistemas utilizaban enfriadores rotativos, que eran cilindros giratorios similares al horno, en los que caía el clinker caliente. [10] El aire de combustión ascendía a través del enfriador a medida que el clinker descendía, cayendo en cascada a través de la corriente de aire. En la década de 1920, los refrigeradores satélite se volvieron comunes y se mantuvieron en uso hasta hace poco. Consisten en un conjunto (normalmente de 7 a 9) de tubos unidos al tubo del horno. Tienen la ventaja de que están sellados al horno y no requieren accionamiento separado. Aproximadamente a partir de 1930 se desarrolló el refrigerador de parrilla. Consiste en una rejilla perforada a través de la cual se sopla aire frío, encerrada en una cámara rectangular. A lo largo de la parrilla se desplaza un lecho de clinker de hasta 0,5 m de profundidad. Estos enfriadores tienen dos ventajas principales: (1) enfrían el clinker rápidamente, lo cual es deseable desde el punto de vista de la calidad del clinker; evita que alite ( C
3S ), termodinámicamente inestable por debajo de 1250 °C, vuelve a belita ( C
2S ) y CaO (C) libre en enfriamiento lento:
(dado que la alita es responsable del desarrollo temprano de la resistencia en el fraguado y endurecimiento del cemento, es deseable el mayor contenido posible de clinker en alita)
y (2) debido a que no giran, se puede conducir aire caliente fuera de ellos para usarlo en el secado de combustible o como aire de combustión precalcinador. Esta última ventaja significa que se han convertido en el único tipo utilizado en los sistemas modernos.
Los sistemas de combustible se dividen en dos categorías: [11]
En la combustión directa, el combustible se alimenta a una velocidad controlada al molino de combustible y el producto fino se sopla inmediatamente al horno. La ventaja de este sistema es que no es necesario almacenar el peligroso combustible terrestre: se utiliza tan pronto como se fabrica. Por este motivo fue el sistema elegido para los hornos más antiguos. Una desventaja es que el molino de combustible tiene que funcionar todo el tiempo: si se estropea, el horno tiene que pararse si no hay un sistema de respaldo disponible.
En la quema indirecta, el combustible se muele mediante un molino que funciona de forma intermitente y el producto fino se almacena en un silo de tamaño suficiente para abastecer el horno durante los períodos de parada del molino de combustible. El combustible fino se dosifica del silo a un ritmo controlado y se insufla al horno. Este método ahora es el preferido para los sistemas de precalcinador, porque tanto el horno como el precalcinador pueden alimentarse con combustible del mismo sistema. Se requieren técnicas especiales para almacenar el combustible fino de forma segura, y los carbones con altos niveles de volátiles normalmente se muelen en una atmósfera inerte (por ejemplo, CO 2 ).
Es necesario mover un gran volumen de gases a través del sistema del horno. [12] Particularmente en sistemas de precalentador de suspensión, se debe desarrollar un alto grado de succión en la salida del sistema para impulsarlo. Los ventiladores también se utilizan para forzar el aire a través del lecho más frío e impulsar el combustible hacia el horno. Los ventiladores representan la mayor parte de la energía eléctrica consumida en el sistema, y normalmente ascienden a entre 10 y 15 kW·h por tonelada de clinker.
Los gases de escape de un horno moderno suelen ascender a 2 toneladas (o 1.500 metros cúbicos a temperatura ambiente ) por tonelada de clinker fabricada. [13] Los gases transportan una gran cantidad de polvo, normalmente 30 gramos por metro cúbico. Las regulaciones medioambientales específicas de diferentes países exigen que esto se reduzca a (normalmente) 0,1 gramos por metro cúbico, por lo que la captura de polvo debe tener una eficiencia de al menos el 99,7%. Los métodos de captura incluyen precipitadores electrostáticos y filtros de bolsa. Véase también emisiones de hornos de cemento .
Los combustibles que se han utilizado para la combustión primaria incluyen carbón , coque de petróleo , fueloil pesado , gas natural , gases de vertedero y gas de combustión de refinerías de petróleo. [14] Debido a que el clinker alcanza su temperatura máxima principalmente mediante transferencia de calor radiante, y para esto es esencial una llama brillante (es decir, de alta emisividad ) y caliente, los combustibles con alto contenido de carbono, como el carbón, que produce una llama luminosa, a menudo se prefieren para los hornos. disparo. Cuando es barato y fácilmente disponible, a veces también se utiliza gas natural. Sin embargo, debido a que produce una llama mucho menos luminosa, tiende a dar como resultado una menor producción del horno. [15]
Además de estos combustibles primarios, se han introducido en los hornos diversos materiales combustibles de desecho. Estos combustibles alternativos (AF) incluyen:
Los hornos de cemento son una forma atractiva de eliminar materiales peligrosos debido a:
Un ejemplo notable es el uso de neumáticos de vehículos de motor desechados, que son muy difíciles de eliminar por otros medios. Los neumáticos enteros se introducen comúnmente en el horno haciéndolos rodar en el extremo superior de un horno precalentador o dejándolos caer a través de una ranura a mitad de camino a lo largo de un horno húmedo largo. En cualquier caso, las altas temperaturas del gas (1000-1200 °C) provocan una combustión casi instantánea, completa y sin humo del neumático. Alternativamente, los neumáticos se cortan en astillas de 5 a 10 mm, de forma que se pueden inyectar en una cámara de combustión precalcinadora. El acero y el zinc de los neumáticos se incorporan químicamente al clinker, reemplazando parcialmente al hierro que, de otro modo, debe utilizarse como materia prima.
Es necesario un alto nivel de monitoreo tanto del combustible como de sus productos de combustión para mantener una operación segura. [dieciséis]
Para lograr la máxima eficiencia del horno, los combustibles convencionales de alta calidad son la mejor opción. Sin embargo, la quema de cualquier combustible, especialmente materiales de desecho peligrosos, puede provocar emisiones tóxicas. [17] Por lo tanto, es necesario que los operadores de hornos de cemento monitoreen de cerca muchas variables del proceso para garantizar que las emisiones se minimicen continuamente. En los EE. UU., los hornos de cemento están regulados por la EPA como una fuente importante de contaminación del aire y deben cumplir estrictos requisitos de control de la contaminación del aire. [18]
El objetivo de la operación del horno es producir clinker con las propiedades químicas y físicas requeridas, al ritmo máximo que permita el tamaño del horno, cumpliendo con los estándares ambientales y al menor costo operativo posible. [19] El horno es muy sensible a las estrategias de control, y un horno mal administrado puede fácilmente duplicar los costos operativos de la planta de cemento. [20]
La formación de los minerales de clinker deseados implica calentar la mezcla cruda a través de las etapas de temperatura mencionadas anteriormente. La transformación final que tiene lugar en la parte más caliente del horno, bajo la llama, es la reacción de la belita ( C 2 S = 2CaO·SiO 2 , o Ca 2 SiO 4 ) con óxido de calcio para formar alita ( C 3 S = 3CaO·SiO 2 , o Ca 3 SiO 5 ):
También abreviado en la notación química del cemento (CCN) como:
Si la reacción es incompleta, quedan cantidades excesivas de óxido de calcio libre en el clinker. La medición periódica del contenido de CaO libre se utiliza como medio para controlar la calidad del clinker. Como parámetro en el control del horno, los datos de CaO libre son algo ineficaces porque, incluso con un muestreo y análisis automatizados rápidos, los datos, cuando llegan, pueden estar 10 minutos "desactualizados", y se deben usar datos más inmediatos para los minutos. control minuto a minuto.
La conversión de belita en alita requiere una fusión parcial, siendo el líquido resultante el disolvente en el que tiene lugar la reacción. La cantidad de líquido y, por tanto, la velocidad de la reacción de acabado, está relacionada con la temperatura. Para cumplir con el objetivo de calidad del clinker, el control más obvio es que el clinker debe alcanzar una temperatura máxima tal que la reacción de acabado tenga lugar en el grado requerido. Una razón adicional para mantener una formación de líquido constante en el extremo caliente del horno es que el material de sinterización forma una presa que evita que la alimentación aguas arriba del enfriador se inunde fuera del horno. La alimentación en la zona de calcinación, por ser un polvo que desprende dióxido de carbono , es extremadamente fluida. El enfriamiento de la zona de combustión y la pérdida de material no quemado hacia el enfriador se denomina "lavado" y, además de causar pérdida de producción, puede causar daños masivos.
Sin embargo, para un funcionamiento eficiente, es necesario mantener condiciones estables en todo el sistema del horno. El alimento en cada etapa debe estar a una temperatura tal que esté "listo" para procesarse en la siguiente etapa. Para garantizar esto, la temperatura tanto de la alimentación como del gas debe optimizarse y mantenerse en cada punto. Los controles externos disponibles para lograrlo son pocos:
En el caso de los hornos precalcinadores, se dispone de controles adicionales:
El uso independiente de la velocidad del ventilador y la tasa de combustible está limitado por el hecho de que siempre debe haber suficiente oxígeno disponible para quemar el combustible y, en particular, para quemar carbono en dióxido de carbono . Si se forma monóxido de carbono , esto representa un desperdicio de combustible, y también indica condiciones reductoras dentro del horno que deben evitarse a toda costa ya que provoca la destrucción de la estructura mineral del clinker. Por este motivo, los gases de escape se analizan continuamente en cuanto a O 2 , CO , NO y SO 2 .
La evaluación de la temperatura máxima del clinker siempre ha sido problemática. La medición de la temperatura de contacto es imposible debido a la naturaleza químicamente agresiva y abrasiva del clinker caliente, y los métodos ópticos como la pirometría infrarroja son difíciles debido a la atmósfera cargada de polvo y humos en la zona de combustión. El método tradicional de evaluación consistía en observar el lecho de clinker y deducir por experiencia la cantidad de líquido formado. A medida que se forma más líquido, el clinker se vuelve más pegajoso y el lecho de material sube más por el lado ascendente del horno. Generalmente también es posible evaluar la longitud de la zona de formación de líquido, más allá de la cual se puede ver el pienso en polvo "fresco". Para facilitar esto, se montan cámaras, con o sin capacidad de medición por infrarrojos, en la campana del horno. En muchos hornos, se puede inferir la misma información a partir de la potencia consumida por el motor del horno, ya que la alimentación pegajosa que se desplaza en lo alto de la pared del horno aumenta la carga de giro excéntrica del horno. Se puede obtener más información de los analizadores de gases de escape . La formación de NO a partir de nitrógeno y oxígeno sólo se produce a altas temperaturas, por lo que el nivel de NO da una indicación de la temperatura combinada de alimentación y llama. El SO 2 se forma por descomposición térmica del sulfato de calcio en el clínker, por lo que también da una indicación de la temperatura del clínker. Los sistemas de control por computadora modernos generalmente generan una temperatura "calculada", utilizando contribuciones de todas estas fuentes de información, y luego se dedican a controlarla.
Como ejercicio de control de procesos , el control de hornos es extremadamente desafiante debido a múltiples variables interrelacionadas, respuestas no lineales y retrasos variables en los procesos. Los sistemas de control por computadora se probaron por primera vez a principios de la década de 1960, inicialmente con malos resultados debido principalmente a mediciones deficientes del proceso. Desde 1990, los complejos sistemas de control de supervisión de alto nivel han sido estándar en las nuevas instalaciones. Estos operan utilizando estrategias de sistemas expertos , que mantienen una temperatura de la zona de combustión "justo suficiente", por debajo de la cual la condición operativa del horno se deteriorará catastróficamente, por lo que requiere un control de respuesta rápida y "filo de cuchillo".
Las emisiones de las fábricas de cemento se determinan mediante métodos de medición continuos y discontinuos, que se describen en las directrices y normas nacionales correspondientes. La medición continua se utiliza principalmente para polvo ( partículas ), NOx ( óxidos de nitrógeno ) y SO2 ( dióxido de azufre ), mientras que el resto de parámetros relevantes según la legislación sobre contaminación ambiental se determinan normalmente de forma discontinua mediante mediciones individuales.
Las siguientes descripciones de emisiones se refieren a plantas de hornos modernas basadas en tecnología de proceso seco.
Durante el proceso de combustión del clinker se emite CO 2 . El CO 2 representa la mayor parte de estos gases. Las emisiones de CO 2 están relacionadas tanto con las materias primas como con la energía. Las emisiones relacionadas con las materias primas se producen durante la descarbonatación de la piedra caliza ( CaCO 3 → CaO + CO 2 ) y representan aproximadamente la mitad de las emisiones totales de CO 2 . El uso de combustibles con mayor contenido de hidrógeno que el carbón y el uso de combustibles alternativos pueden reducir las emisiones netas de gases de efecto invernadero. [dieciséis]
Para fabricar 1 t de cemento Portland, durante la producción se deben triturar hasta obtener polvo fino entre 1,5 y 1,7 t de materias primas, 0,1 t de carbón y 1 t de clinker (además de otros componentes del cemento y agentes sulfatados ). En este proceso, los pasos de procesamiento de materias primas, preparación de combustible, quema de clinker y molienda de cemento constituyen importantes fuentes de emisión de componentes particulados . Si bien en la década de 1960 se midieron emisiones de partículas de hasta 3.000 mg/m 3 al salir de las chimeneas de las plantas de hornos rotatorios de cemento, hoy en día los límites legales suelen ser de 30 mg/m 3 y se pueden alcanzar niveles mucho más bajos.
El proceso de combustión de clinker es un proceso a alta temperatura que da como resultado la formación de óxidos de nitrógeno (NOx ) . La cantidad formada está directamente relacionada con la temperatura de la llama principal (normalmente entre 1850 y 2000 °C). El monóxido de nitrógeno (NO) representa aproximadamente el 95% y el dióxido de nitrógeno (NO2 ) aproximadamente el 5% de este compuesto presente en los gases de escape de las plantas de hornos rotatorios . Como la mayor parte del NO se convierte en NO 2 en la atmósfera, las emisiones se expresan como NO 2 por metro cúbico de gas de escape.
Sin medidas de reducción, el contenido de NO x relacionado con el proceso en los gases de escape de las plantas de hornos rotativos excedería considerablemente en la mayoría de los casos las especificaciones, por ejemplo, de la legislación europea para plantas de incineración de residuos (0,50 g/m 3 para plantas nuevas y 0,80 g/m 3 para plantas nuevas). plantas existentes). Las medidas de reducción tienen como objetivo suavizar y optimizar el funcionamiento de la planta. Técnicamente, se aplican la combustión por etapas y la reducción selectiva de NO catalítica (SNCR) para hacer frente a los valores límite de emisión.
Se requieren altas temperaturas de proceso para convertir la mezcla de materia prima en clinker de cemento Portland. Las temperaturas de carga del horno en la zona de sinterización de los hornos rotativos oscilan alrededor de los 1450 °C. Para alcanzar estos valores se necesitan temperaturas de llama de unos 2000 °C. Por motivos de calidad del clínker, el proceso de combustión se realiza en condiciones oxidantes, en las que predomina la oxidación parcial del nitrógeno molecular en el aire de combustión, con la formación de monóxido de nitrógeno (NO). Esta reacción también se llama formación térmica de NO. Sin embargo, a las bajas temperaturas que prevalecen en un precalcinador, la formación térmica de NO es insignificante: en este caso, el nitrógeno unido al combustible puede dar lugar a la formación de lo que se conoce como NO relacionado con el combustible. La combustión por etapas se utiliza para reducir los NO: el combustible del calcinador se añade con aire de combustión insuficiente. Esto hace que se forme CO.
Luego, el CO reduce el NO a nitrógeno molecular:
Luego se agrega aire terciario caliente para oxidar el CO restante.
El azufre se introduce en el proceso de combustión del clinker a través de materias primas y combustibles. Dependiendo de su origen, las materias primas pueden contener azufre unido en forma de sulfuro o sulfato. Las mayores emisiones de SO 2 de los sistemas de hornos rotativos en la industria del cemento a menudo se deben a los sulfuros contenidos en la materia prima, que se oxidan para formar SO 2 a las temperaturas entre 370 °C y 420 °C que prevalecen en el precalentador del horno. La mayoría de los sulfuros son pirita o marcasita contenidos en las materias primas. Dadas las concentraciones de sulfuro que se encuentran, por ejemplo, en los depósitos de materias primas alemanes, las concentraciones de emisiones de SO 2 pueden alcanzar hasta 1,2 g/m 3 dependiendo de la ubicación del lugar. En algunos casos, se utiliza hidróxido de calcio inyectado para reducir las emisiones de SO 2 .
El azufre aportado con los combustibles se convierte completamente en SO 2 durante la combustión en el horno rotatorio. En el precalentador y en el horno, este SO 2 reacciona para formar sulfatos alcalinos , que se unen al clinker, siempre que se mantengan condiciones oxidantes en el horno.
Las concentraciones de CO y de carbono ligado orgánicamente en los gases de escape son una medida para medir la tasa de combustión de los combustibles utilizados en plantas de conversión de energía, como por ejemplo las centrales eléctricas . Por el contrario, el proceso de combustión de clinker es un proceso de conversión de material que, por motivos de calidad del clinker, siempre debe realizarse con exceso de aire. Esto, junto con largos tiempos de permanencia en el rango de altas temperaturas, conduce a un quemado total del combustible.
Las emisiones de CO y de carbono ligado orgánicamente durante el proceso de combustión del clinker se deben a las pequeñas cantidades de componentes orgánicos aportados a través de las materias primas naturales (restos de organismos y plantas incorporados a la roca a lo largo de la historia geológica). Éstos se convierten durante el precalentamiento de la alimentación del horno y se oxidan para formar CO y CO 2 . En este proceso también se forman pequeñas porciones de gases traza orgánicos ( carbono orgánico total ). Por lo tanto, en el caso del proceso de combustión de clinker, el contenido de CO y gases traza orgánicos en el gas limpio puede no estar directamente relacionado con las condiciones de combustión. La cantidad de CO 2 liberada es aproximadamente media tonelada por tonelada de clinker. [21]
Los hornos rotatorios de la industria cementera y las plantas incineradoras clásicas se diferencian principalmente en las condiciones de combustión que prevalecen durante la combustión del clinker. Los gases de alimentación del horno y de escape del horno rotatorio se transportan en contracorriente y se mezclan completamente. Así, la distribución de la temperatura y el tiempo de permanencia en los hornos rotatorios crean condiciones especialmente favorables para que los compuestos orgánicos, introducidos a través de combustibles o derivados de ellos, sean completamente destruidos. Por esta razón, en los gases de escape de los hornos rotatorios de cemento sólo se pueden encontrar concentraciones muy bajas de dibenzoparadioxinas y dibenzofuranos policlorados (coloquialmente " dioxinas y furanos ").
El comportamiento de emisión de PCB es comparable al de las dioxinas y furanos. Los PCB pueden introducirse en el proceso a través de materias primas y combustibles alternativos. Los sistemas de hornos rotatorios de la industria del cemento destruyen estos componentes prácticamente por completo. [ cita necesaria ]
Los HAP (según EPA 610) en los gases de escape de los hornos rotativos suelen aparecer en una distribución dominada por la naftaleno , que representa más del 90% en masa. Los sistemas de hornos rotativos de la industria del cemento destruyen prácticamente por completo los HAP aportados a través de los combustibles. Las emisiones se generan a partir de componentes orgánicos de la materia prima.
En los gases de escape de los hornos rotatorios , por regla general , el benceno , el tolueno , el etilbenceno y el xileno se encuentran en proporciones características. BTEX se forma durante la descomposición térmica de componentes de materias primas orgánicas en el precalentador.
Los cloruros son componentes adicionales menores contenidos en las materias primas y combustibles del proceso de combustión del clinker. Se liberan cuando se queman los combustibles o se calienta la alimentación del horno y reaccionan principalmente con los álcalis de la alimentación del horno para formar cloruros alcalinos. Estos compuestos, que inicialmente son vaporosos, se condensan en la alimentación del horno o en el polvo del horno, a temperaturas entre 700 °C y 900 °C, posteriormente vuelven a entrar en el sistema del horno rotatorio y se evaporan de nuevo. Este ciclo en el área entre el horno rotatorio y el precalentador puede resultar en la formación de un recubrimiento. Un bypass en la entrada del horno permite una reducción efectiva de los ciclos de cloruro alcalino y disminuir los problemas de acumulación de recubrimiento. Durante el proceso de combustión del clinker no se emiten compuestos gaseosos inorgánicos de cloro, o sólo se emiten en cantidades muy pequeñas.
Del flúor presente en los hornos rotatorios, entre el 90 y el 95% está ligado al clinker y el resto con polvo en forma de fluoruro de calcio estable en las condiciones del proceso de combustión. Las fracciones de polvo ultrafinas que pasan a través del filtro de gas de medición pueden dar la impresión de un bajo contenido de compuestos de flúor gaseosos en los sistemas de hornos rotativos de la industria del cemento.
El comportamiento de emisión de los distintos elementos en el proceso de combustión de clinker está determinado por el escenario de entrada, el comportamiento en la instalación y la eficiencia de precipitación del dispositivo colector de polvo. Los oligoelementos (p. ej. metales pesados ) introducidos en el proceso de combustión a través de las materias primas y los combustibles pueden, dependiendo de su volatilidad, evaporarse total o parcialmente en las zonas calientes del precalentador y/o del horno rotatorio y reaccionar con los componentes presentes en el gas. fase y se condensa en la alimentación del horno en las secciones más frías del sistema del horno. Dependiendo de la volatilidad y de las condiciones de funcionamiento, esto puede dar lugar a la formación de ciclos que se limitan al horno y al precalentador o incluyen también la instalación combinada de secado y molienda. Los oligoelementos de los combustibles entran inicialmente en los gases de combustión, pero se emiten en cantidades muy pequeñas sólo debido a la capacidad de retención del horno y del precalentador.
En las condiciones que prevalecen en el proceso de combustión del clinker, los elementos no volátiles (p. ej. , arsénico , vanadio , níquel ) están completamente unidos al clinker.
Elementos como el plomo y el cadmio reaccionan preferentemente con el exceso de cloruros y sulfatos en la sección entre el horno rotatorio y el precalentador, formando compuestos volátiles. Debido a la gran superficie disponible, estos compuestos se condensan en las partículas de alimentación del horno a temperaturas entre 700 °C y 900 °C. De esta forma, los elementos volátiles acumulados en el sistema horno-precalentador vuelven a precipitar en el precalentador ciclónico, quedando casi en su totalidad en el clinker.
El talio (como cloruro) se condensa en la zona superior del precalentador del ciclón a temperaturas entre 450 °C y 500 °C. Como consecuencia, se puede formar un ciclo entre el precalentador, el secado de la materia prima y la purificación de los gases de escape.
El mercurio y sus compuestos no precipitan en el horno ni en el precalentador. Se condensan en la ruta de los gases de escape debido al enfriamiento del gas y son parcialmente adsorbidos por las partículas de materia prima. Esta porción precipita en el filtro de gases de escape del horno.
Debido al comportamiento de los oligoelementos durante el proceso de combustión del clinker y a la alta eficiencia de precipitación de los dispositivos de recolección de polvo, las concentraciones de emisión de oligoelementos se encuentran en un nivel general bajo. [ cita necesaria ]
El IPCC recomienda utilizar datos de clinker, en lugar de datos de cemento, para estimar las emisiones de CO2 porque el CO2 se emite durante la producción de clinker y no durante la producción de cemento.
El método de Nivel 1 utiliza el valor predeterminado del IPCC para la fracción de cal en el clínker, que es del 64,6 por ciento.
Esto da como resultado un factor de emisión de 0,507 toneladas de CO2/tonelada de clinker.