ES2199070B1 - Metodo para producir clinker de cemento utilizando coque de alto contenido de azufre. - Google Patents
Metodo para producir clinker de cemento utilizando coque de alto contenido de azufre.Info
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Abstract
Método para producir clínker de cemento utilizando coqué de alto contenido de azufre, mayor de 4.5% en peso, en equipos e instalaciones convencionales, en donde el método comprende el tratar la mezcla cruda para optimizar sus características físico - químicas combinado con el control de parámetros del proceso, obteniendo una reducción en la temperatura de clinkerización y como resultado se reduce la concentración de SO3 en el material calcinado que se alimenta al horno rotatorio, incrementando con esto el contenido de sulfato de calcio en el clínker.
Description
Método para producir clínker de cemento
utilizando coque de alto contenido de azufre.
La invención se relaciona con un método para
producir clínker de cemento, y más particularmente a un método para
producir clínker de cemento utilizando coque con alto contenido de
azufre como combustible que reduce al mínimo los problemas asociados
con el uso de dicho combustible.
Los procesos y plantas utilizadas para la
fabricación de clínker de cemento son ampliamente conocidos. Por lo
general, el proceso de fabricación consiste en preparar una harina
cruda (mezcla cruda) que comprende una mezcla de materiales como
caliza (CaCO_{3}), materiales arcillosos (por ejemplo, SiO_{2},
Al_{2}O_{3}), y minerales de hierro (por ejemplo,
Fe_{2}O_{3}). Dicha preparación de la harina cruda incluye los
pasos de secar, pulverizar y proveer dichos materiales en cantidades
adecuadas para lograr en el clínker la composición requerida para
obtener un producto con la calidad final deseada. Una vez que se
prepara la harina cruda pulverizada y homogeneizada con la
composición requerida, las siguientes etapas en el proceso son:
alimentar dicha harina cruda hacia un horno pasando a través de un
precalentador; calcinar dicha harina cruda precalentada para
transformar el CaCO_{3} a CaO y CO_{2}; suministrar la harina
calcinada a un horno de sinterización; sinterizar (también conocido
como clinkerizar) la harina calcinada para formar los compuestos del
clínker como silicato tricálcico (alita), silicato dicálcico
(belita), aluminato tricálcico y ferroaluminato tetracálcico.
Típicamente, para llevar a cabo este proceso de
secado, calcinado y sinterización (clinkerizado) se requieren
cantidades elevadas de energía para mantener las altas temperaturas
en el proceso, siendo dicha temperatura requerida en la etapa de
sinterización del orden de 1450ºC, la cual para alcanzarla y
mantenerla se requiere consumir altas cantidades de combustible.
En la actualidad, la disponibilidad de
combustibles con alto contenido de azufre y su menor costo
representan una oportunidad para la industria del cemento, sin
embargo su utilización requiere de cuidados especiales en la
operación y nuevos métodos que faciliten su uso sin detrimento de la
continuidad de operación en el horno.
Uno de los combustibles con alto contenido de
azufre disponible es el coque de petróleo, el cual por su naturaleza
posee un alto contenido de azufre mayor de 4.5% de azufre elemental.
El azufre comprendido en los combustibles juega ahora un papel
importante al ser empleados en el proceso de combustión. Este tipo
de combustible por una parte genera el calor necesario para mantener
la temperatura del proceso y, por otra parte, produce SO_{2} que
sumado al SO_{2} que proviene del contenido de azufre de las
materias primas utilizadas para la formación de las harinas crudas,
representa una cantidad importante que puede producir bloqueos en el
precalentador si no se aplican medidas o cuidados especiales o se
emplea un método adecuado para su utilización.
Como se sabe, el SO_{2} contenido tanto en los
gases de combustión como en las harinas crudas entra en contacto
íntimo con el CaO (cal) formando compuestos de calcio sulfatados
(sulfatos y sulfatos de calcio CaSO_{3} y CaSO_{4}). Los
compuestos sulfatados al ser sometidos a las altas temperaturas de
formación de los compuestos del clínker que son mayores a su
temperatura de descomposición, descomponen de nuevo en SO_{2} y
CaO, este último reacciona formando nuevos compuestos del clínker y
el SO_{2} regresa en los gases de combustión hacia la entrada del
horno para reaccionar de nueva cuenta con el CaO de manera tal que
forma un ciclo, el cual al alcanzar concentraciones elevadas de
SO_{2} y no tener salida se precipita en las zonas más frías del
precalentador formando acumulaciones y bloqueos tales como en las
etapas del precalentador, bloqueos en la cámara de humos, etc., que
provocan perturbaciones en la operación, reduciendo su eficiencia y
en casos más graves no permite continuar con la operación por
ejemplo al formar anillos en el horno de clinkerizado.
Existen en la técnica un número de esfuerzos
encaminados al diseño de instalaciones, equipos, y/o procesos para
el uso de combustibles sólidos con alto contenido de azufre, con la
finalidad de resolver el problema asociado con la formación y
acumulación de SO_{2}. Sin embargo, la mayoría de procesos y/o
plantas para fabricar clínker de cemento que usan combustible sólido
con alto contenido de azufre presentan ciertas desventajas en cuanto
a la complejidad de los procesos y equipos así como sus costos
elevados. Por ejemplo, la patente de los Estados Unidos de América
No. 4,465,460 titulada "Producción de clínker de cemento"
expedida a Paul Cosar el 14 de agosto de 1984, se relaciona con la
utilización de combustibles sólidos con contenido de azufre elevado
en la producción de clinker de cemento en hornos rotatorios, el
combustible sólido es gasificado y el combustible gasificado es
puesto en contacto con una fracción del material crudo utilizado
para la producción del clinker de cemento para desulfurar el
combustible gasificado, siendo el combustible gasificado desulfurado
descargado hacia una etapa de calcinación y/o al horno rotatorio
para proveer calorías al mismo. Se menciona además que los factores
para incrementar la reacción de desulfurado son la temperatura del
gas en la escala de aproximadamente 800ºC a 950ºC y la granulación
fina de la materia prima, preferiblemente para promediar un tamaño
de grano de aproximadamente 100 micras. Esta patente se relaciona
con una instalación y proceso complejos para producir clínker de
cemento, que incluye equipos adicionales para reducir el contenido
de azufre o desulfurar los gases de combustión. Los gases de
combustión son puestos en contacto con una fracción del material
crudo para desulfurar de esta manera dichos gases de combustión
mediante la reacción parcial del SO_{2} con el CaO. Sin embargo,
no se menciona el control de parámetros de operación para evitar la
descomposición de los compuestos sulfatados formados en etapas
previas antes de la sinterización del material crudo calcinado. En
otras palabras, dicha patente describe particularmente un proceso e
instalación para reducir al mínimo los compuestos sulfatados
contenidos en gases de combustión. Por lo tanto, no existe
sugerencia de como evitar de manera efectiva los problemas asociados
con la acumulación de compuestos sulfatados en el sistema.
Las patentes de los Estados Unidos de América
Nos. 4,662,945 y 4,715,811 ambas tituladas "Proceso y aparato para
fabricar clínker de cemento pobre en azufre" expedidas a Thomas
R. Lawall el 5 de mayo de 1987 y 29 de diciembre de 1987,
respectivamente, describen un proceso y aparato para fabricar
clinker de cemento con poco azufre a partir de harina cruda que
contiene azufre o con combustibles que tienen niveles de azufre
elevados o una combinación de los mismos. El aparato incluye un
precalentador, un horno de calcinación, un horno de clinkerizado y
un enfriador de clínker. Una fuente separada de combustible es
añadida al extremo del horno de clinkerizado para mantener las
condiciones y temperaturas reducidas para descomponer los compuestos
de azufre. El combustible añadido en el extremo del horno de
clinkerizado es carbón o coque combustible de baja volatilidad. Esta
patente se relaciona con la producción de un clínker de cemento con
bajo contenido de azufre a través de la separación de los compuestos
de azufre mediante condiciones reductoras. Para obtener dicho
clínker con bajo contenido de azufre se requiere el uso de equipos y
etapas especialmente diseñadas para operar bajo dichas condiciones
reductoras. El producto obtenido es un clínker con bajo contenido de
sulfatos alcalinos. No obstante, dicha patente no hace referencia a
la reducción de la temperatura de sinterización ni a la optimización
o pretratamiento del material crudo para evitar la acumulación de
compuestos sulfatados en el sistema, sino que se enfoca a eliminar
los compuestos sulfatados en la etapa de calcinación.
La patente de los Estados Unidos de América No.
6,142,771 titulada "Control de la producción de clínker de cemento
que utiliza combustible con azufre elevado en horno rotatorio de
parrilla desplazable Lelep-Lepol mediante análisis
de azufre en el producto final" expedida a Joseph Doumet el 7 de
noviembre de 2000, describe un método y aparato para producir
clinker de cemento utilizando un combustible con alto contenido de
azufre. El combustible con alto contenido de azufre es alimentado en
un quemador dispuesto en el horno de clinkerizado y mezclado con las
harinas crudas antes de entrar al horno de clinkerizado. El objetivo
de esta invención es el controlar las concentraciones de oxígeno y
monóxido de carbono, así como el contenido de azufre en el clinker
de cementa para controlar el sistema. Para utilizar combustibles con
alto contenido de azufre y evitar los problemas asociados con el
mismo, esta invención tiene por objeto el controlar la velocidad del
extractor de gases dispuesto a la salida del horno y el flujo del
combustible que sea utilizado en el proceso, para permitir de esta
manera controlar la cantidad de oxígeno en la zona de reacciones
químicas/sinterización del horno de clinkerizado. Este tipo de
aparatos resultan poco eficientes para controlar la cantidad de
SO_{3} en el clínker de cemento resultante y sus tiempos de
respuesta demorados para corregir las condiciones de operación.
Otro esfuerzo en la técnica por utilizar coque de
petróleo se divulga en la patente China No. 1,180,674 expedida a
Wang Xinchang y otros el 6 de mayo de 1998 titulada "Método para
producir cemento de alta calidad utilizando coque de petróleo con
alto contenido de azufre". El método comprende los pasos de
esferizar la mezcla de coque de petróleo con alto contenido de
azufre, piedra caliza, arcilla, polvo de hierro, carbón y fluorita;
calcinar para obtener el clinker; mezclar con yeso; y pulverizar. El
contenido de azufre en dicho coque puede ser de 2 a 6%, el cual
puede reemplazar al carbón por 20-100%. El cemento
obtenido hasta más de 425R características y alta resistencia. El
método se basa en mezclar las materias primas con el coque de
petróleo para ser posteriormente granulados y quemados en un horno
vertical. No obstante presenta problemas en cuanto al control de la
dosificación apropiada de la mezcla para llevar a cabo la
descarbonatación (calcinación) de la mezcla calcinada, lo cual
resulta en una reacción ineficiente.
Esfuerzos adicionales se divulgan en, por
ejemplo, las patentes de los Estados Unidos de América Nos.
5,707,444 (Soren Hundebol) relacionada con la cantidad de
combustible que se usa en el horno ajustándola de acuerdo al cálculo
de evaporación de azufre, estando enfocada la patente de Hundebol al
ajuste relacionado con específicamente el control de la temperatura
del horno de clinkerización; 6,050,813 (Joseph Doumet) que describe
el control de la producción de clínker de cemento por medio de los
parámetros de operación, tal como el control de la cantidad de
oxígeno en la entrada del horno por vía de la. medición del
contenido del SO_{3} en el clínker a la salida del enfriador,
tiene como inconveniente que la información del contenido de
SO_{3} obtenida en el clínker para controlar la cantidad de
oxígeno alimentado está desfasada y por lo tanto no puede
proporcionar un control en línea adecuado para la producción de un
clínker debido a que las condiciones de operación no corresponden a
aquellas durante la formación del clínker que se analiza; y
6,183,244 (Joseph Doumet) relacionada con la producción de clinker
usando combustibles de alto contenido de azufre en hornos rotatorios
de vía húmeda.
La patente de los Estados Unidos de América No.
5,698,027 titulada "Método y planta para fabricar clínker de
cemento Portland mineralizado" expedida a Hans E. Borgholm y
otros el 16 de diciembre de 1997, describe el uso de un
mineralizados que no tiene ningún efecto perjudicial sobre las
propiedades de flujo de las harinas crudas, el cual puede ser
añadido en cualquier sitio durante el proceso. Dicho mineralizados
puede ser por ejemplo un componente que contiene azufre que surge
como un subproducto de la desulfuración del gas combustible. El
mineralizados puede ser alimentado directamente a la mezcla cruda,
al calcinados o a través del aire caliente desde el enfriador hacia
el calcinados. No se hace mención del control de la temperatura del
horno, así como su estabilización, para evitar la evaporación del
azufre aportado como subproducto de la desulfuración del gas
combustible, es decir la descomposición de los compuestos
sulfatados, lo cual produciría problemas en el sistema tales como
acumulación, bloqueos y formación de anillos debido a dichos
compuestos de azufre.
También se ha llegado a considerar el mejorar la
quemabilidad de las materias primas o de la harina cruda con el
objeto de reducir la temperatura de sinterización (clinkerizado) y,
por consiguiente, evitar que se alcance la temperatura de
descomposición de los compuestos sulfatados. Ejemplos de métodos y
aparatos para quemar productos granulados o pulverizados para la
fabricación de clínker de cemento se describen en, por ejemplo, la
patente de los Estados Unidos de América No. 6,000,145 expedida el
14 de diciembre de 1999; patente de los Estados Unidos de América
No. 4,496,396 expedida el 29 de enero de 1985; patente de los
Estados Unidos de América No. 4, 561, 842 expedida el 31 de
Diciembre de 1985; y patente de los Estados Unidos de América No.
4,557,688 expedida a Nielsen Peter B. el 10 de diciembre de 1985.
Sin embargo, todas las patentes anteriormente mencionadas, se
relacionan con la preparación de las materias primas como una fase
convencional en el proceso de fabricación del clínker, substituyendo
el horno rotatorio por reactores estacionarios, sin tomar en cuenta
la descomposición de los compuestos de azufre. De manera relevante,
la patente de los Estados Unidos de América No. 5,800,610 expedida a
Ebbe S. Jons el 1 de septiembre de 1998, titulada "Método para
fabricar clínker de cemento", describe inicialmente someter a la
harina cruda a un procesamiento preparatorio, por ejemplo, por
trituración, homogeneización y/o secado. No obstante este método es
llevado a cabo en un reactor fijo de quemado y no se menciona la
manera en la cual es llevado dicho procesamiento preparatorio ni sus
condiciones de operación.
De acuerdo con lo anterior, no existe ningún
documento en el estado de la técnica que describa o sugiera la
reducción de la temperatura de clinkerización o sinterización
mediante el control de parámetros en la mezcla cruda, en la
operación del horno y el nivel de SO_{3} a la entrada del horno.
De esta manera, existe una necesidad por un método para producir
clínker de cemento que permita el uso más económico y eficiente de
combustibles que tengan un alto contenido de azufre tal como coque
de petróleo, pero que al mismo tiempo reduzca al mínimo los
problemas asociados con el bloqueo e incrustaciones debido a la alta
concentración de SO_{2} y/o SO_{3} en el sistema.
Por lo tanto, es un objeto de la presente
invención el proveer un método para producir clínker de cemento de
operación simple, y sin embargo, de alta eficiencia para consumir el
100% del coque de petróleo.
Es un objeto más de la presente invención el
producir un clínker de cemento de alta calidad que no requiere la
adición de aditivos para mejorar sus propiedades físicas
finales.
Todavía otro objeto de la presente invención es
proveer un método para producir clínker de cemento que pueda ser
utilizado en cualquier proceso e instalación convencional.
La presente invención se relaciona con un método
para producir clínker de cemento que comprende las etapas de:
- alimentar la mezcla cruda;
- precalentar la mezcla cruda;
- calcinar la mezcla cruda precalentada;
- sinterizar la mezcla cruda calcinada para
producir el clínker de cemento; y
- enfriar el clínker de cemento;
en donde el método comprende adicionalmente las
etapas de:
- preparar la mezcla cruda antes de la etapa de
alimentación con base en el Factor de saturación de Cal (SFC), el
Módulo de Sílice (MS) y el Módulo de Alúmina (MA) y el ajuste de
finura de la mezcla cruda, siendo el FSC hasta 1, el MS con valores
entre 2 y 3.5, el MA entre 0 y 3, y el ajuste de la finura en una
malla No. 200, los adecuados para reducir la temperatura en la etapa
de clinkerización por más de 100ºC; y
- controlar el tiempo de residencia de la mezcla
calcinada, la temperatura de clinkerización y condiciones oxidantes
en la entrada del horno en la etapa de clinkerización.
Los aspectos que se consideran característicos de
la presente invención se establecerán con particularidad en las
reivindicaciones anexas. Sin embargo, la invención misma, tanto por
su organización como por su método de operación, conjuntamente con
otros objetos y ventajas de la misma, se comprenderán mejor en la
siguiente descripción de ciertas modalidades, cuando se lea en
relación con los dibujos que se acompañan, en los cuales:
La Figura 1 es un diagrama esquemático que
ilustra un proceso para producir clínker de cemento de la técnica
anterior
La Figura 2 es un diagrama esquemático que
ilustra el proceso general para producir clínker de cemento de
acuerdo con la presente invención.
La Figura 3 es un diagrama esquemático que
ilustra el proceso de tratamiento de la mezcla cruda de acuerdo con
la presente invención, mostrado en la Figura 1.
La Figura 4 es un diagrama esquemático que
ilustra el proceso de calcinación de la mezcla cruda de acuerdo con
la presente invención, mostrado en la Figura 1.
Las Figuras 5 y 6 son gráficas que muestran la
quemabilidad de la harina cruda gris como una función de la
temperatura, y el porcentaje de cal libre como una función de la
temperatura, respectivamente.
Refiriéndonos ahora a los dibujos, la Figura 1
muestra un diagrama esquemático del proceso para producir clínker de
cemento de acuerdo con la técnica anterior. El proceso comprende los
pasos de: alimentar la mezcla cruda a través de una línea de
alimentación 14, precalentar la mezcla cruda a través de un sistema
precalentador 15, precalentar una mezcla cruda precalentada por
medio de un precalcinador 16, sinterizar la mezcla cruda calcinada
en un horno rotatorio 22 para producir de esta manera el clínker de
cemento, y enfriar el clinker de cemento a través de un enfriador de
clínker de cemento 24.
En los procesos conocidos para producir clínker
de cemento, que utilizan por ejemplo el proceso mostrado en la
Figura 1, la mezcla cruda alimentada al horno rotatorio 22 es
precalentada y parcialmente descarbonatada en un sistema
precalentador 15 y un precalcinador 16 utilizando el calor de los
gases de combustión extraídos del horno rotatorio 22 y del
precalcinador 16. Conforme los gases de combustión y la mezcla cruda
mezclan, la cal (CaO) en la mezcla cruda y el dióxido de azufre
(SO_{2}) en los gases de combustión reaccionan para formar sulfato
de calcio (CaSO_{3}). El sulfato de calcio es formado en el
precalentador 15. El sulfato de calcio, en cambio, reacciona con el
oxígeno dentro del sistema precalentador 15 para formar sulfato de
calcio(CaSO_{4}), si hay suficiente oxígeno. Si no hay
suficiente oxígeno en la atmósfera en la entrada del horno 22 para
crear una atmósfera vigorozamente oxidante, el sulfato de calcio
puede descomponer en cal (CaO) y dióxido de azufre (SO_{2}) y
dejar acumulaciones en la entrada del horno 22. Si existe una
deficiencia de oxígeno en el horno rotatorio 22, el sulfato de
calcio puede descomponerse a temperaturas menores de 1500ºC. Esta
descomposición también conduce a un incremento en la concentración
de dióxido de azufre en el gas dentro del horno 22, lo cual conduce
a la depositación de sales, de calcio sobre las paredes del sistema
precalentador 15. La depositación de las sales de calcio incrementa
cuando el combustible es un combustible sólido con alto contenido de
azufre (es decir, por arriba de 4.5% ), tal como coque de petróleo,
a causa de la concentración incrementada de dióxido de azufre en el
gas del horno 22. La circulación incrementada de azufre en los gases
ocasiona un incremento en la cantidad de sulfato de calcio. Esto
puede resultar en depósitos hasta un nivel suficiente para cerrar la
entrada del horno 22, el precalentador 15, los ciclones del
precalentador, y los ductos que conectan los ciclones, deteniendo de
esta manera la producción.
Para asegurar el uso eficiente del coque de
petróleo con alto contenido de azufre (mayor de 4.5% en peso), los
solicitantes de la presente invención han encontrado de manera
sorprende, que basándose en el tratamiento de la mezcla cruda para
optimizar sus características físico-químicas
combinado con el control de parámetros del proceso, y opcionalmente
el empleo de mineralizantes, se obtiene una reducción de la
temperatura de clinkerización y como resultado se reduce la
concentración de SO_{3} en el material calcinado que se alimenta
al horno rotatorio, incrementando con esto el contenido de sulfato
de calcio en el clínker. Mediante la aplicación de estas variables,
se pueden emplear procesos e instalaciones convencionales ya
existentes evitando de esta forma los problemas de bloqueo en las
etapas del precalentador, el bloqueo de la cámara de humos y la
formación de anillos en el horno de sinterización, debido a las
altas concentraciones de azufre en los gases de combustión.
Para el tratamiento de la mezcla cruda, también
llamado optimización, los solicitantes consideran la evaluación y
mejora de la quemabilidad de la mezcla cruda a través del ajuste de
los módulos de control, el ajuste de la finura de la mezcla cruda
medida en las mallas n \cdot 200 y n \cdot 50 y la opcional
utilización de mineralizantes.
La mezcla cruda está compuesta generalmente por
caliza (CaCO_{3}), arcillas (SiO_{2}, Al_{2}O_{3}) y mineral
de hierro (Fe_{2}O_{3}), en proporciones adecuadas para alcanzar
la calidad deseada en el clínker de cemento, es decir una cantidad
adecuada de los compuestos que forman principalmente el clínker, por
ejemplo el silicato tricálcico. El control de las proporciones de
las materias primas se lleva a cabo mediante la relación de los
compuestos (SiO_{2}, Al_{2}O_{3}, CaO, Fe_{2}O_{3})
llamados módulos de control. Dichos módulos de control son
generalmente: Factor de Saturación de Cal (FSC), Módulo de Sílice
(MS) y Módulo de Alúmina (MA). Los módulos de control se calculan de
acuerdo con las ecuaciones siguientes:
a) Factor de saturación de cal.
- FSC = CaO/(2.8 SiO_{2}+1.18 Al_{2}O_{3}+0.65 Fe_{2}O_{3}).
b) Modulo de sílice.
- MS=SiO_{2}/(Al_{2}O_{3}+Fe_{2}O_{3})
c) Modulo de alúmina.
- MA = Al_{2}O_{3}/ Fe_{2}O_{3}.
Como es conocido, valores altos de los módulos de
control, por ejemplo Factor de saturación de cal(FSC), Módulo
de sílice(MS) y Módulo de alúmina(MA), nos dan como
resultado mezclas crudas difíciles de transformar en clinker (baja
quemabilidad), ver Cuadro 2 y figura 5 donde se muestra la
quemabilidad de la mezcla cruda en función del FSC. Se conoce además
que la finura de la mezcla cruda (tamaño de partícula) afecta
también la quemabilidad de la misma, mientras más fina es la mezcla
cruda (ver cuadro 1) la quemabilidad mejora, en la figura 6 se puede
observar el efecto de la finura de la mezcla con respecto a su
quemabilidad.
| % de cal libre | ||
| FSC | T = 1350ºC | T = 1450ºC |
| 88 | 1.415 | 0.408 |
| 90 | 1.63 | 0.815 |
| 92 | 2.068 | 0.827 |
| 94 | 3.0385 | 1.304 |
| 96 | 3.78 | 2.00 |
| 98 | 5.44 | 2.979 |
| FSC 92 | FSC 98 | |||||
| Malla | Muestra | Malla | 1380ºC | 1450ºC | 1380ºC | 1450ºC |
| 76.75 | 1 | 76.75 | 1.95 | 0.74 | * | * |
| 78.75 | 2 | 78.00 | 1.82 | 0.67 | 2.75 | 1.44 |
| 80.74 | 3 | 80.40 | 1.62 | 0.62 | 2.21 | 1.11 |
| 82.66 | 4 | 83.70 | 1.45 | 0.51 | 1.88 | 0.92 |
| 85.17 | 5 | 84.30 | 1.42 | 0.49 | 1.86 | 0.74 |
| 87.00 | 6 | 86.60 | 1.35 | 0.45 | 1.69 | 0.68 |
| 89.00 | 7 | 88.00 | 1.31 | 0.41 | 1.61 | 0.61 |
Mediante el proceso de tratamiento u optimización
de las características físico-químicas y la finura
de la mezcla cruda, se mejora su quemabilidad reduciendo así la
temperatura de clinkerización de tal manera que se disminuye como
resultado sorprendente la descomposición del sulfato de calcio
(CaSO_{4}), saliendo el sulfato de calcio del horno 22 como parte
de la composición del clinker.
Como se puede observar a partir de las gráficas
de las Figuras 5 y 6, el tratamiento para optimizar la mezcla cruda
permiten el reducir la temperatura de clinkerización por más de
100ºC.
Es conocido que la adición de pequeñas cantidades
de algunos compuestos que normalmente no son constituyentes de la
mezcla cruda puede alterar la velocidad a la cual se lleva a cabo la
reacción de clinkerización, compuestos de este tipo con un efecto de
aceleramiento en la velocidad de reacción y disminución de la
energía necesaria para la reacción de clinkerización son llamados
mineralizantes. El método para producir clínker de la presente
invención que reduce la temperatura de clinkerización utilizando
coque de alto contenido de azufre, emplea de manera opcional
CaF_{2} (fluorita) como mineralizarte.
El uso de CaF_{2} (fluorita) como mineralizarte
en el método de la presente invención, ayuda a robustecer el control
de la disminución de la temperatura de clinkerización lograda
mediante el tratamiento de optimización de la mezcla cruda. La
adición del mineralizarte a la mezcla cruda permite la
estabilización de la operación del horno, facilitando además el
alcanzar valores deseados de cal libre (CaO sin reaccionar), y
posibilita el mantener controlada la temperatura en la zona de
sinterización evitando así fluctuaciones pronunciadas y por lo tanto
manteniendo la descomposición de los sulfatos y sulfatos de calcio
del azufre en niveles bajos (menos de 50%). El mineralizarte
(CaF_{2}) es almacenado en la tolva 103 (ver figura 2) y es
dosificado por el alimentador 107 al molino de mezcla cruda 108, en
una proporción que varía de 0.2 a 0.5% en peso de la composición
total.
Haciendo referencia a las Figuras 2 a 4, en ellas
se muestra esquemáticamente el método para producir clínker de
cemento de acuerdo con la presente invención. La mezcla cruda
después de haber sido tratada para optimizar sus características
físico-químicas como se mencionó anteriormente, es
decir la mezcla cruda es preparada a través del sistema de molienda
ilustrado en la Figura 2, los materiales almacenados en las tolvas
100, 101 y 102 son dosificados basándose en los módulos de control
tales como el Factor de Saturación de Cal, el Módulo de Sílice y el
Módulo de Alúmina mencionados anteriormente, para obtener los
niveles óptimos en la mezcla cruda tratada.
Después de haber determinado los niveles óptimos
de dosificación de los materiales de acuerdo con los módulos de
control, estos materiales son alimentados hacia el molino 108 por
medio de los alimentadores de materias primas 104, 105, 106 y 107,
en donde son pulverizados formando de esta manera la mezcla cruda.
Después de ser pulverizados los materiales, la mezcla cruda es
conducida hacia un separador 109 donde se clasifica para obtener una
finura deseada, es decir un tamaño de partícula determinado. La
mezcla cruda optimizada por los módulos de control y el ajuste de
finura es transportada por medio de la transportador 110 hacia un
silo homogeneizados 112 donde se mezcla con el propósito de
disminuir las fluctuaciones en los valores de los módulos de
control. El proceso de homogeneización es básico para obtener un
producto de calidad constante, lo cual resultará en una operación
continua y eficiente del sistema de calcinación.
La mezcla cruda optimizada 113 proveniente del
silo homogeneizados 112 es alimentada al horno rotatorio de
clinkerización 123 pasando a través precalentados 115 a través del
ducto de alimentación 114 y del precalcinador 123 para someter a la
mezcla cruda optimizada 113 a las operaciones de calentamiento,
secado y descarbonatado, por medio del contacto íntimo con los gases
de combustión del combustible alimentado en el quemador del
precalcinador 119 y/o en el quemador principal 123 del horno
rotatorio de clinkerización 122.
La mezcla cruda optimizada calcinada 113 es
alimentada al horno rotatorio 122 a través de la entrada 117,
conforme gira el horno la mezcla cruda calcinada 113 fluye dentro
del horno hacia la salida 125 del mismo. Dentro del horno rotatorio
122 se llevan a cabo las reacciones químicas para sinterizar la
mezcla cruda 113 por los gases generados en la combustión del
combustible alimentado en el quemador principal 123 del horno 122,
la mezcla sinterizada llamada comúnmente clínker que sale del horno
122 pasa al enfriador de clínker 124 donde se enfría.
De acuerdo con el método de la presente
invención, el coque de: petróleo es alimentado al horno rotatorio
122 a través del quemador principal 123 y/o del precalcinador 119 en
una forma convencional como es conocido por aquellos expertos en la
técnica. Como se sabe, el coque de petróleo tiene una alta
concentración de azufre el cual en condiciones normales de operación
del horno, sin tomar en cuenta que este tipo de combustible requiere
de medidas adecuadas para ser utilizado, produce acumulaciones y
bloqueos tales como bloqueos en las etapas del precalcinador,
bloqueos en la cámara de humos, etc., que provocan perturbaciones en
la operación, reduciendo su eficiencia y en casos más graves no
permite continuar con la operación por ejemplo al formar anillos en
el horno de clinkerizado.
Como se sabe los compuestos sulfatados, tales
como CaSO_{3} producidos por la reacción de la cal (CaO) de la
mezcla cruda y el dióxido de azufre (SO_{2}) contenido en los
gases de combustión del combustible con alto contenido de azufre, al
ser sometidos a las altas temperaturas de formación de los
compuestos del clínker que son mayores a su temperatura de
descomposición se descomponen de nuevo en SO_{2} y CaO, este
último reacciona formando nuevos compuestos del clínker y el
SO_{2} regresa en los gases de combustión hacia la entrada del
horno para reaccionar de nueva cuenta con el CaO de manera tal que
forma un ciclo, el cual al alcanzar concentraciones elevadas de
SO_{2} y no tener salida se precipita en las zonas más frías. Los
solicitantes de la presente invención han descubierto de manera
sorprendente que el empleo de una mezcla cruda optimizada combinado
con el control de ciertos parámetros del proceso tales como tiempo
de residencia y control del SO_{3} a la salida del precalcinador,
permiten la reducción de la temperatura de clinkerización que
resulta en una menor evaporación del SO_{3}, y reduciendo también
la concentración de SO_{3} en el material calcinado que se
alimenta al horno rotatorio, incrementando el contenido de sulfato
de calcio en el clínker. En otras palabras, es fundamental el
manejar la reducción de la temperatura en la etapa de clinkerización
como medida operativa para lograr la utilización del coque con alto
contenido de azufre evitando al máximo los problemas asociados con
el mismo.
Como se mencionó anteriormente, la posibilidad de
reducir la temperatura de clinkerización se logra controlando la
quemabilidad de la mezcla cruda preparada en la etapa de molienda en
el molino 108, mediante la combinación de las variables relacionadas
de los módulos de control y ajuste de finura (tamaño de partícula)
de la mezcla cruda.
El proceso de descomposición de los compuestos de
azufre (proceso de evaporación de azufre) formados en el
precalentador por la reacción del CaO con la mezcla cruda y el
SO_{2} del sistema tendrá verificativo dentro del horno al ser
expuestos a temperaturas del orden de 1200 a 1500ºC. Para reducir al
mínimo la descomposición de estos compuestos es importante realizar
un monitoreo y control de ciertos parámetros de operación
específicos tales como el tiempo de exposición o tiempo de
residencia de la mezcla cruda calcinada, la temperatura de
clinkerización, condiciones oxidantes en la entrada del horno,
además del contenido de SO_{3} en el material calcinado.
De acuerdo con la presente invención, las
condiciones de operación del horno de clinkerización deben ser
seleccionadas de forma que, en combinación con la materia prima
optimizada, el uso opcional del mineralizante y el control del
SO_{3} en la entrada del horno, se pueda controlar de manera
eficiente la utilización del coque con alto contenido de azufre, o
sea con más de 4.5% en peso de azufre. Los parámetros a controlar
son la temperatura en la cámara de humos que deberá ser menor de
1150ºC, el suministro de oxígeno en la entrada del horno 117 deberá
ser suficiente para mantener una atmósfera altamente oxidante (por
arriba de 4.5%), el porcentaje de SO_{3} en la mezcla calcinada
suministrada a la entrada del horno 117 y el porcentaje de SO_{3}
en el clínker producido deben tener un valor máximo de 5% en peso y
de más de 1.8% en peso, respectivamente.
Una vez que se haya alcanzado el porcentaje
máximo de utilización del coque de alto azufre y se logre la
estabilización de la operación del horno (sin paros o perturbaciones
por bloqueos con material rico en azufre depositado en la cámara de
humos 126 y precalentador 115) da inicio (sí se requiere) la etapa
del uso de mineralizantes en el proceso. El uso del mineralizarte
como componente opcional de la mezcla cruda optimizada permitirá
estabilizar la operación del horno, facilitar el control de cal
libre y eliminar la necesidad de variar las cantidades empleadas de
combustible, logrando de esta manera estabilizar la temperatura en
la zona de clinkerización (sinterización), en donde la estabilidad
en la zona de clinkerización permite mantener valores estables de
SO_{3} en el clínker y, por lo tanto, drenar el azufre del
sistema.
Un factor importante para lograr la reducción de
la temperatura de clinkerización y reducir al mínimo los problemas
asociados por los compuestos sulfatados producidos por los gases de
combustión producidos por la quema de combustibles con alto
contenido de azufre para obtener un clínker con propiedades
adecuadas, reside en la medición del contenido de azufre que se
drena del sistema y el cual forma parte del composición del clínker
medido como SO_{3}. El parámetro del control para el SO_{3} en
el clínker se fija en función tanto del azufre alimentado al sistema
como en el porcentaje de evaporación de azufre (descomposición de
los compuestos sulfatados) en el horno 122. En una modalidad de la
presente invención, este parámetro de control se basa entre el valor
del análisis y la especificación, el cual al existir una variación
será necesario efectuar ajustes que pueden ser de combustible,
considerando el valor de cal libre en el clínker, la mezcla cruda
alimentada al horno y la cantidad de oxígeno en la entrada del horno
por medio del control de la velocidad del abanico principal del
horno.
El método para producir clínker de cemento de la
presente invención, considera también como otro factor importante
para el control del proceso como se mencionó anteriormente, la
medición del SO_{3} en el material calcinado proveniente del
ciclón previo a la entrada del horno 117, el incremento en el
contenido de SO_{3} en este material calcinado indica que el ciclo
de azufre (en el interior del sistema) se está concentrando. Por lo
tanto, el clínker producido en el horno rotatorio de clinkerización
utilizando el método de la presente invención, usando coque con alto
contenido de azufre, permite disminuir o incluso eliminar la adición
de yeso (CaSO_{4}2H_{2}O) en el cemento como regulador de
tiempos de fraguado.
Se proporcionan los ejemplos siguientes solo para
propósitos ilustrativos, y de ninguna manera se pretende limitar el
alcance de la presente invención.
El siguiente ejemplo esquematiza los resultados
del proceso de optimización de la mezcla cruda de una aplicación
industrial del método propuesto.
Se preparó una mezcla cruda de acuerdo con el
control de parámetros mencionados anteriormente y una mezcla cruda
de referencia en la cual no se efectuó ningún control.
| Parámetro | Crudo sin optimizar | Crudo Optimizado |
| FSC | 0.98 | 0.95 |
| MS | 2.9 | 2.9 |
| MA | 2.9 | 2.9 |
| M200 en % | 78 | 82 |
| Cal libre a 1450ºC | 2.07 | 1.03 |
(Continuación)
| Parámetro | Crudo sin optimizar | Crudo Optimizado |
| Cal libre a 1350ºC | 3.2 | 1.89 |
| % de SO_{3} en el material calcinado a la entrada del horno | 4.9 | 2.8 |
Como se observa del cuadro anterior, el haber
optimizado la mezcla cruda da como resultado poder bajar
aproximadamente 100ºC la temperatura de clinkerización, esto se
observa en que a 1450ºC la Cal libre obtenida en la mezcla sin
optimizar da un valor de 2.07 y la mezcla ya optimizada pero quemada
a 1350ºC resulta en una Cal libre de 1.89, es decir prácticamente
igual que la mezcla sin optimizar quemada 100ºC por encima de 1350ºC
ajustándose también los parámetros de operación del horno rotatorio.
Por tal razón, la disminución de esta temperatura trae consigo una
menor descomposición de los compuestos sulfatados dentro del horno
rotatorio y por consiguiente una disminución en el contenido de
SO_{3} de los materiales calcinados a la entrada del horno y un
incremento del sulfato de calcio que sale como componente del
clínker.
Aún cuando se ha ilustrado y descrito cierta
modalidad de la invención, debe hacerse hincapié en que son posibles
numerosas modificaciones a las mismas. La presente invención, por lo
tanto, no deberá considerarse como restringida excepto por lo que
exija la técnica anterior y por el espíritu de las reivindicaciones
anexas.
Claims (8)
1. Un método para producir en una planta de
cemento clínker de cemento a partir de una mezcla cruda convencional
de alimentación, cuyo método comprende las etapas de:
- alimentar la mezcla cruda a dicha planta;
- precalentar la mezcla cruda;
- calcinar la mezcla cruda precalentada;
- sinterizar la mezcla cruda calcinada para
producir clínker de cemento; y
- enfriar el clínker de cemento, dicho método
siendo modificado para permitir el uso de un combustible que tiene
un alto contenido de azufre como una fuente de calor para al menos
una del precalentamiento, calcinación, descarbonatado y sinterizado
de la mezcla cruda mientras que se evita la formación de
incrustaciones del compuesto de azufre que inhibe el proceso dentro
de la planta por medio de:
preparar una mezcla cruda modificada antes de la
etapa de alimentación en base al Factor de saturación de Cal (SFC),
el Módulo de Sílice (MS) y el Módulo de Alúmina (MA) y la finura de
la mezcla cruda, caracterizado porque FSC es menor de 1, MS
está entre 2 y 3, y MA está entre 0 y 3, y la finura está en el
orden del tamaño de malla No. 200, los cuales en combinación son
adecuados para reducir la temperatura convencional en la etapa de
sinterizado por más o menos 100ºC, de aproximadamente
1500-1450ºC a aproximadamente
1400-1350ºC, mientras que se mantiene esencialmente
el mismo porcentaje bajo de CaO libre; y
controlar el tiempo de residencia de la mezcla
calcinada, la temperatura modificada de sinterizado y el
mantenimiento de las condiciones oxidantes en la entrada del horno
en un exceso de 4% a 5% durante la etapa de sinterizado, para
permitir la continuidad de operación de la planta.
2. El método de conformidad con la reivindicación
1, caracterizado además porque el combustible usado para
precalentar, descarbonatar y sinterizar la mezcla cruda es coque de
petróleo con un contenido de azufre de más de 4.5% en peso.
3. El método de conformidad con la reivindicación
1, caracterizado porque comprende el paso adicional de añadir
mineralizante en la etapa de preparación de la mezcla cruda
modificada para robustecer el control de la disminución de la
temperatura de sinterizado.
4. El método de conformidad con la reivindicación
3, caracterizado además porque el mineralizante es CaF_{2},
el cual es añadido en una proporción que varía de 0.2 a 0.5% en peso
de la composición total de la mezcla cruda modificada.
5. El método de conformidad con la reivindicación
1, caracterizado porque comprende además el paso de controlar
la concentración de SO_{3} en la mezcla calcinada que se alimenta
al horno de sinterizado.
6. El método de conformidad con la reivindicación
5, caracterizado además porque la concentración de SO_{3}
de la mezcla calcinada que se alimenta al horno debe tener un valor
máximo de 5% en peso.
7. El método de conformidad con la reivindicación
1, caracterizado además porque el SO_{2} producido por la
quema del combustible con alto contenido de azufre es drenado del
sistema como sulfato de calcio incrementando de esta manera el
contenido de sulfato de calcio en la composición foral del clínker
de cemento.
8. El método de conformidad con la reivindicación
1, caracterizado además porque el clínker producido mediante
este método permite disminuir o eliminar la adición de yeso en el
cemento como regulador de tiempos de fraguado.
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