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METODO Y PLANTA PARA LA MANUFACTURA DE CLIN ER DE CEMENTO
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con un método para la manufactura de clinker o escoria de cemento por cuyo método la harina cruda de cemento se precalienta y se quema en una planta que comprende un precalentador ciclónico y un horno. La invención se relaciona específicamente con un método para reducir la emisión de S02, CO y compuestos orgánicos volátiles (de aquí en adelante denominados como COV) de tal planta. La invención también se relaciona con una planta para llevar a cabo el método. Las plantas del tipo antes mencionado para la manufactura de clinker de cemento son bien conocidas de la literatura. La emisión de S02, CO y COV de tales plantas de hornos para la manufactura de clinker de cemento emanan principalmente de las materias primas que son usadas como se describe con mayor detalle en el siguiente texto. El calentamiento de la harina cruda en el precalentador ciclónico se efectúa por contacto directo con gases de escape calientes de acuerdo con el principio de flujo en contracorriente, mediante el cual el S02 y CO formados y los COV expulsados son capturados inmediatamente por la corriente de gases de escape, y por lo tanto abandonan el precalentador
Ref.: 161930 2
ciclónico junto con la corriente de gases de escape en forma de emisión. Por razones diferentes, los tres tipos de emisión a la atmósfera son indeseables . La materia prima del cemento frecuentemente contiene minerales tales como pirita y marcasita. El sulfuro en la pirita (FeS2) se convierte en el precalentador ciclónico a temperaturas alrededor de 525°C, provocando que se forme S02. Por lo tanto, las mediciones realizadas en una planta de cemento en operación han mostrado que virtualmente todo el sulfuro contenido en la alimentación de harina cruda estará aún presente en la harina cruda cuando abandone la primera etapa ciclónica a una temperatura de aproximadamente 370 °C, mientras que el contenido de sulfuro en la harina cruda que abandona la segunda etapa ciclónica a una temperatura de aproximadamente 550°C será aproximadamente la mitad. Así, en la planta de cemento en cuestión cerca de la mitad del sulfuro contenido en la materia prima escapará del precalentador en forma de S02 como resultado del proceso de oxidación el cual tiene lugar en la segunda etapa ciclónica. Un método conocido para reducir el nivel de S02 involucra la aplicación de un absorbente en forma de CaO, Ca(OH)2 u otros componentes básicos en el precalentador ciclónico en una ubicación (vista en la dirección de flujo de los gases de escape) , después de que se forma S02 de tal manera que el S02 puede unirse a la materia prima en forma de sulfito el cual 3
es transformado en sulfato en una etapa de proceso subsiguiente. Una desventaja significativa de este método conocido es que usualmente será necesario aplicar una cantidad de exceso de absorbente, haciéndolo por lo tanto un método relativamente costoso. Asimismo, la materia prima del cemento contendrá frecuentemente carbón orgánico el cual es expulsado substancialmente de la harina cruda en forma de CO y COV durante el proceso de precalentamiento en el precalentador ciclónico y que es descargado en forma no quemada junto con la corriente de gases de escape. Esto lo confirman estudios que indican que ciertos tipos de COV son expulsados substancialmente en un rango de temperatura relativamente estrecho. Un tipo de COV es expulsado entonces substancialmente en un rango de temperatura que varia de 300 a 500°C, mientras que otro tipo es expulsado substancialmente en un rango de temperatura que varía de 450 a 650°C. Otros tipos adicionales de COV son expulsados en rangos de temperatura mayores. En un precalentador ciclónico tradicional el rango de temperatura antes mencionado típicamente tendrá lugar en la primera y segunda etapa ciclónica, respectivamente, la segunda y tercera etapa ciclónica, dependiente de si el precalentador ciclónico es una unidad de cuatro etapas o de cinco etapas y también un poco dependiente de la eficiencia de los otros elementos en 4
el sistema de hornos. Se conocen varios métodos para el tratamiento subsiguiente de los gases de escape para remover COV de los gases de escape. Un método conocido comprende las etapas, de que los gases de escape del precalentador son recalentados en una unidad de intercambio de calor, que los COV son quemados mientras se adiciona simultáneamente combustible, y que los gases de escape son enfriados subsiguientemente en la unidad de intercambio de calor. Desde el punto de vista de consumo de energía esta no es una solución óptima, y el aparato para llevar a cabo el método también involucra bastantes costos de inversión substanciales . Además, de la solicitud de patente danesa No. PA 2001 00009 se conoce un método mediante el cual se extrae harina cruda del precalentador y del calentador en una unidad de calentamiento separada para formar S02 y para expulsar COV. De acuerdo con el método conocido, el S02 formado se pone en contacto subsiguientemente con un absorbente, los COV expulsados se queman, y la harina cruda se vuelve a introducir en el precalentador ciclónico. La desventaja de este método conocido es principalmente que el consumo de energía será relativamente alto. Un objetivo de la presente invención es proporcionar un método así como una planta para la manufactura de clinker de cemento mediante el cual puede lograrse una reducción económica y efectiva de S02, CO y COV sin ningún impacto significativo en el nivel de eficiencia del precalentador ciclónico . Esto se logra mediante un método del tipo mencionado en la introducción caracterizado porque al menos una parte de la harina cruda se extrae del precalentador ciclónico, la harina cruda se introduce en una unidad separada en la cual se le da un tiempo de retención bajo condiciones oxidantes proporcionadas por medio de una corriente de gas para formar S02 y para expulsar carbón orgánico, el S02 formado y el carbón orgánico expulsado se descargan subsiguientemente de la unidad separada arrastrados en la corriente de gas para tratamiento adicional en una etapa de proceso subsiguiente, y la harina cruda se vuelve a introducir en el precalentador ciclónico . Con esto se obtiene una reducción efectiva de la emisión de COV, CO, así como del S02 sin necesitar el uso de energía adicional para calentamiento. Al darle un tiempo de retención a la harina cruda extraída y parcialmente precalentada bajo condiciones oxidantes por separado del precalentador ciclónico se obtiene como resultado que el sulfuro se oxidará a S02 y se expulsará carbón orgánico de la harina cruda, de tal .manera que el S02 así formado y el carbón orgánico así 6
expulsado pueden arrastrarse en una corriente de gas separada relativamente pequeña y someterse a tratamiento posterior en la forma óptima. Tal como se describirá con mayor detalle en el siguiente textc, los estudios llevados a cabo por el solicitante han indicado sorprendentemente que tendrá lugar una oxidación significativa de sulfuro a S02 y cierta expulsión de carbón orgánico aún cuando las temperaturas se mantenga constante y por debajo de las de la ubicación en el precalentador ciclónico en donde de otra forma está ocurriendo la mayor parte de la liberación de S02. Los estudios han mostrado también que la velocidad a la cual tienen lugar estos procesos depende de la temperatura y que la velocidad se incrementará a la par con la elevación de temperaturas . La planta para llevar a cabo el método de conformidad con la invención se caracteriza porque comprende medios para extraer al menos una parte de la harina cruda del precalentador ciclónico, medios separados para dar a esta harina cruda un tiempo de retención bajo condiciones de oxidación y asegurar por lo tanto la oxidación, mediante una corriente de gas, de sulfuro contenido en esta harina cruda para la formación de S02 y para la expulsión de carbón orgánico, medios para descargar el S02 formado y el carbón orgánico expulsado de la unidad separada arrastrado en la corriente de gas para tratamiento adicional en una etapa de 7
proceso subsiguiente, y medios para volver a introducir la harina cruda dentro del precalentador ciclónico. Se podrán apreciar rasgos característicos adicionales de la planta a partir de la descripción detallada proporcionada en el texto siguiente. Se prefiere que la totalidad de la harina cruda se extraiga del precalentador ciclónico para oxidación en una unidad separada . Hasta el momento, el juicio convencional ha sostenido que cuando la materia prima contiene componentes sulfurosos, el S02 se formará en un rango de temperatura relativamente pequeño alrededor de 525°C. Sin embargo, los estudios mencionados arriba y descritos con mayor detalle en el siguiente texto han indicado con bastante sorpresa que una oxidación significativa de sulfuro a S02 tendrá lugar aún a temperaturas más bajas si solamente se asigna el tiempo necesario para el proceso. Los estudios han mostrado por tanto que la formación de S02 puede ocurrir aún a una temperatura de 350°C, y por lo tanto, de conformidad con la invención, la harina cruda puede extraerse del precalentador ciclónico a una temperatura que varía entre 350°C y 525°C. Con el objeto de limitar el tiempo de retención necesario para la harina cruda extraída en la unidad separada y por lo tanto su capacidad, se prefiere que la harina cruda se 8
extraiga del precalentador ciclónico a una temperatura en el rango de 400°C y 500°C. Los estudios llevados a cabo han indicado que a temperaturas mayores que 525°C, el S02 se formará tan rápidamente que virtualmente todo el sulfuro se habrá convertido a S02 antes de que la harina cruda sea extraída del precalentador. En principio, a la harina cruda se le puede dar cualquier tiempo de retención en la unidad separada lo cual es necesario para lograr la formación de S02 deseada a la temperatura en cuestión. En la práctica real, la temperatura de la harina cruda extraída será el determinante principal para la duración del tiempo de retención, lo cual es necesario. De acuerdo con la invención el tiempo de retención en la unidad separada puede seleccionarse en forma aleatoria, pero, frecuentemente estará ventajosamente en el rango de 10 a 200 segundos. Sin embargo, se prefiere aplicar un límite máximo de 100 segundos. La temperatura en la unidad separada puede mantenerse substancialmente constante durante el proceso de oxidación, pero también puede variar, por ejemplo por medio de la regulación de la temperatura de la corriente de gas introducida en la unidad separada. Si se desea incrementar la velocidad de oxidación, la temperatura én la unidad separada puede elevarse entonces introduciendo una corriente de gas más caliente.
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En principio, el carbón orgánico es expulsado de la harina cruda a través de todo el rango de temperatura en el precalentador ciclónico, lo cual en el caso de la harina cruda varía desde una temperatura menor de 100°C en la parte superior del precalentador ciclónico hasta una temperatura cercana a 830°C en el fondo del precalentador ciclónico. Por lo tanto, el método de conformidad con la invención solamente tendrá la capacidad de expulsar una porción de la cantidad total del carbón orgánico. La temperatura a la cual la harina cruda va a extraerse dependerá por lo tanto principalmente de la temperatura a la cual se logra la reducción máxima del nivel de S02. Los estudios antes mencionados en el texto han indicado variaciones en el patrón para expulsar diferentes tipos de carbón orgánico. Por lo tanto, antes de la implementación del método de conformidad con la invención en una planta de cemento determinada, será ventajoso llevar a cabo investigaciones especificas de la materia prima utilizada con el objeto de determinar exactamente su contenido de diferentes tipos de carbón orgánico y determinar adicionalmente cómo son expulsados como una función de la temperatura. En algunos casos, que son consistentes con la reducción de S02, se prefiere, por lo tanto, que la harina cruda se extraiga del precalentador ciclónico a una temperatura menor de 450 °C.
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En principio, la oxidación de la harina cruda extraída en la unidad separada puede realizarse en cualquier forma adecuada, sin embargo debe dirigirse una pequeña corriente de gas que contiene oxígeno a través del compartimiento para la oxidación de sulfuro y carbón orgánico y para la remoción de S02 y para la remoción de S02 y carbón orgánico expulsado. Estudios han indicado que el porcentaje de oxigeno óptimo para remover S02 es aproximadamente de 5 por ciento . La unidad separada puede configurarse en cualquier manera adecuada. La unidad separada puede comprender cualquier tipo de receptáculo o mecanismo de transporte para materiales a granel, que serán capaces de proporcionar un tiempo de retención suficiente para la harina cruda y asegurar un mezclado suficiente de la harina cruda y de la corriente de gas que contiene oxígeno. Por ejemplo, la unidad separada puede configurarse como un tambor rotatorio en el cual la harina cruda extraída y la corriente de gas que contiene oxigeno se introducen a través de entradas localizadas en cada extremo del tambor rotatorio, pasan a través del tambor rotatorio en flujo en contracorriente y son descargados también de los extremos opuestos. Además, es deseable que la unidad o planta incluya medios para asegurar que la harina cruda después de su extracción de la unidad se localizará físicamente en, o puede dirigirse al nivel que es necesario para volverse a introducir en la ubicación designada en el precalentador ciclónico.
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El S02 formado que es descargado de la unidad separada arrastrado en la corriente de gas puede tratarse separadamente, por ejemplo, en un depurador húmedo de un principio de operación conocido en donde el S02 en la reacción con CaC03 y ¾0 se transformará en yeso en forma de CaS04»2H20, y del cual puede liberarse al ambiente gas limpiado. El CaC03 necesario puede estar contenido en el polvo llevado a lo largo de la unidad de separación o puede suministrarse en forma de harina cruda fresca. Debido al hecho de que la corriente de gas a través de la unidad de oxidación separada es pequeña en relación con la corriente de gas a través del precalentador ciclónico, el depurador húmedo para este propósito puede ser también relativamente pequeño. El consumo de agua será también relativamente pequeño. El yeso generado en el depurador húmedo puede usarse venta osamente en la planta moledora de cemento en substitución de algo del yeso ordinario . En esta forma puede desviarse del sistema de hornos de la planta de cemento una cantidad significativa de azufre, reduciendo con ello los problemas que tienen lugar frecuentemente con respecto al atascamiento y obstrucción en el sistema de hornos. El S02 formado el cual es descargado de la unidad separada arrastrado en la corriente de gas puede introducirse alternativamente en el precalentador ciclónico en un sitio en donde está presente una cantidad suficiente de absorbente en 12
forma de CaO y/u otros componentes básicos, el cual típicamente estará en el extremo inferior del precalentador ciclónico. En plantas en donde el precalentador ciclónico incluye un calcinador se prefiere que el S02 formado se introduzca en ese calcinador. El carbón orgánico expulsado puede quemarse separadamente o alternativamente puede volverse a introducir en una ubicación en el precalentador ciclónico en donde la temperatura es al menos de 700 °C, la cual típicamente estará en el extremo inferior del precalentador. En plantas en donde el precalentador ciclónico incluye un calcinador se prefiere que el carbón orgánico expulsado sea introducido en ese calcinador . En principio, la harina cruda extraída y oxidada separadamente puede volverse a introducir en el precalentador ciclónico en cualquier sitio. Sin embargo, deberá introducirse preferentemente inmediatamente después del punto de la extracción de harina cruda, visto en la dirección de flujo de la harina cruda. En otras palabras, se prefiere que la harina cruda oxidada separadamente sea introducida en un precalentador ciclónico en la primera etapa de ciclones después de la etapa de ciclones de la cual fue extraída. A continuación se describirá la invención en más detalle con referencia a las figuras, las cuales están en forma de diagrama, y en las cuales: 13
La figura 1 muestra una representación gráfica de la formación de S02 como una función del tiempo a diferentes temperaturas , la figura 2 muestra un primer ejemplo de una planta de conformidad con la invención, y la figura 3 muestra un segundo ejemplo de una planta de conformidad con la invención. En la figura 1 se observan gráficas a - d para la formación de S02 como una función del tiempo a temperaturas de 350, 375, 400 y 500°C. Las gráficas ilustradas son un resultado directo de una serie de pruebas las cuales se han llevado a cabo por el solicitante. Las pruebas se han realizado en un reactor de lecho fijo de acuerdo con el método descrito a continuación. Una muestra de material se precalento hasta una temperatura deseada en un gas caliente inerte consistiendo de N2 puro. El gas de salida caliente del proceso de calentamiento inerte se mezcló con 02 con el objeto de oxidar cualquier azufre evaporado en S02. Enseguida del calentamiento inerte durante un periodo de 240 segundos, se adicionó 02 a la corriente de N2 antes del lecho estacionario. Este procedimiento se siguió para tener la certeza de que no habría ninguna oxidación significativa de la muestra de material durante el proceso de calentamiento relativamente lento y que el suministro de 02 tendría lugar rápidamente en relación con la reacción química de tal manera 14
que la velocidad de reacción podría estudiarse a una temperatura dada e independientemente del proceso de calentamiento . El contenido de S02 como una función del tiempo se midió a través del procedimiento de prueba. En la figura 1 parte de las gráficas en donde t es menor que 0 muestran la formación de S02 la cual ocurre en relación con el calentamiento del material en el gas inerte mientras que las gráficas para t mayor que 0 muestran la formación de S02 cuando la temperatura se mantiene constante y cuando se suministra 02. Se nota claramente de la figura que la formación de S02 es un proceso muy lento durante el proceso de calentamiento inerte hasta el punto en el que t es igual a 0 y que subsiguientemente, cuando se suministra 02 cuando t es igual a 0 la velocidad de formación es mucho más veloz. En particular las gráficas b, c y d muestran que la conversión de sulfuro a S02 tiene lugar predominantemente en el periodo inicial de 100 segundos a partir del cual las gráficas se elevan, tendiendo presumiblemente hacia una conversión máxima en la cual , con respecto al material que se usa durante la prueba, será aproximadamente de 30, 50 y 70 por ciento, respectivamente, a las temperaturas respectivas de 375, 400 y 500 °C. Por lo tanto, fuera de estas tres temperaturas la conclusión inmediata sería que el método óptimo podría involucrar la extracción de la materia prima a una temperatura de aproximadamente 500°C dado que el grado más 15
alto de conversión se logra a esta temperatura. Sin embargo, deberá notarse que en relación con el calentamiento hasta un nivel de 500°C en el gas inerte, se formará una cantidad de S02 bastante significativa la cual en la práctica real no se transferirá a la unidad separada. Por lo tanto, la temperatura óptima para extraer el material en cuestión parece estar en el rango de 400°C a 500°C. En las figuras 2 y 3 se observan dos ejemplos de conformidad con la invención. Ambas plantas mostradas comprenden un precalentador ciclónico 1, un horno rotatorio 5 y un enfriador de clinker 7. El precalentador ciclónico 1 comprende cuatro etapas de ciclones a - d, un calcinador 3 y un ciclón de separación 4. El precalentador ciclónico 1 puede comprender menos o más de los cuatro ciclones indicados . La harina cruda de una planta moledora de harina cruda se introduce en el precalentador ciclónico a través de una de varias entradas 9 y se precalienta en un arreglo en contracorriente con gases de escape de donde posteriormente se separa del precalentador ciclónico en el ciclón d y se dirige al calcinador 3 en el cual se calcina. De la salida del fondo del ciclón de separación 4, la harina cruda calcinada es dirigida entonces a través del conducto 8 al horno rotatorio 5 en el cual se quema para formar clinker de cemento el cual posteriormente es enfriado en el enfriador de clinker 7. Los gases de escape del horno rotatorio 5 y del 16
calcinador 3 se extraen a través del ciclón 4 y posteriormente a través del precalentador ciclónico por medio de un ventilador. Se introduce aire terciario del enfriador de clinker 7 a través del conducto 11 en el calcinador 3. De conformidad con la invención al menos una parte de la harina cruda se extrae del precalentador ciclónico 1 con una vista sometiéndolo a oxidación en una unidad separada 21 en la cual la harina cruda se introduce a través del conducto 15 con el objeto de que la oxidación separada de la harina cruda tenga algún efecto significativo en la formación de S02 y la expulsión de carbón orgánico, la harina cruda debe extraerse desde luego del precalentador antes de que la mayor parte del contenido de sulfuro se haya transformado en S02 y/o antes de que el carbón orgánico haya sido expulsado del material. En casos en los que solamente es deseable llevar a cabo la oxidación separada algo de la harina cruda, se puede extraer del flujo de la harina cruda de la salida del fondo de la etapa del ciclón seleccionado a través de, por ejemplo, una compuerta diviso a 13. La unidad separada 21 mostrada en la figura 2 y 3 comprende un tambor rotatorio 21. Se introduce una corriente de gas a través de una entrada 27 en un extremo del tambor rotatorio y la harina cruda extraída es introducida a través de una entrada 29 en el extremo opuesto, ocasionando que se efectúe el mezclado de la harina cruda y la corriente de gas 17
en un arreglo de flujo en contracorriente. La harina cruda es extraída del otro extremo del tambor rotatorio 21 a través de una salida 22 y dirigida a través de un conducto 26 y un medio de transporte, si lo hubiere, de regreso al precalentador ciclónico 1 en el cual se vuelve a introducir a través de una entrada 28 la cual se localiza inmediatamente después del punto en el cual se extrajo, visto en la dirección del flujo de la harina cruda. En la modalidad mostrada en la figura 2 la corriente de gas que contiene S02 y el carbón orgánico expulsado sale de una salida 29 en el tambor rotatorio 21 a través de un conducto 17 hacia el calcinador 3 en el cual se quema todo el carbón orgánico y el S02 es absorbido bajo condiciones óptimas de temperatura por reacción principalmente con CaO. En la modalidad mostrada en la figura 3 la corriente de gas que contiene S02 y el carbón orgánico expulsado sale de la salida 29 en el tambor rotatorio 21 a través del conducto 17 hacia un depurador húmedo 31 en el cual se limpia de conformidad con principios conocidos en donde el S02 por reacción con CaC03 y ¾0 será transformado en yeso con base en la forma de CaS04»2H20, y de donde el gas limpiado puede liberarse al ambiente, posiblemente a través de una unidad 33 para quemar CO y COV. En relación con la implementacion de la invención en una planta de cemento existente frecuentemente será necesario 18
establecer la temperatura en el precalentador a un nivel en el cual permitirá que la harina cruda se extraiga a las temperaturas deseadas . Esto puede efectuarse en numerosas formas . Si se desea disminuir la temperatura en el sitio específico en el precalentador en donde la harina cruda va a extraerse para la oxidación separada, será posible introducir, por ejemplo, aire atmosférico en un sitio apropiado. Sin embargo si se desea elevar la temperatura en el punto de extracción específico, la alimentación de harina cruda puede, por ejemplo, dividirse y puede desviarse una pequeña cantidad de harina cruda. Asimismo, la temperatura puede ajustarse controlando la cantidad de harina cruda que es extraída para la oxidación separada. Otro medio de regulación consiste en una modificación o regulación de la eficiencia de separación de los ciclones precalentadores. En la práctica real puede ser necesario regular la capacidad de la unidad separada 21 y en el caso de un tambor rotatorio esto puede realizarse cambiando su velocidad de rotación. Un aumento en la velocidad de rotación del tambor rotatorio dará lugar a una reducción en el tiempo de retención de la harina cruda en el tambor, trayendo consigo una reducción correspondiente en la cantidad de S02 que se forma y expulsándose el carbón orgánico. Con el objeto de compensar cualquiera de tales reducciones, puede proporcionarse calor a la unidad separada 21, posiblemente 19
mediante la introducción de una corriente de flujo parcial del aire caliente del enfriador de clinker 7 en la unidad 21 a través de la entrada 27. Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.