ES2290759T3 - Metodo y planta para precalentar un material particulado o pulverulento. - Google Patents
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Abstract
Método para precalentar un material particulado o pulverulento tal como materia prima de cemento o material similar en un precalentador de ciclón (1), que comprende al menos dos etapas de ciclón, comprendiendo cada una un conducto elevador (2a, 2b, 2c, 2d) y un ciclón (1a, 1b, 1c, 1d), caracterizado porque una parte del material que se suministra a al menos una etapa de ciclón se introduce a la primera parte del conducto elevador visto en la dirección de desplazamiento de los gases de escape, y se calienta desde una temperatura de cómo máximo 450ºC a una temperatura de al menos 550ºC, y porque el material restante que se suministra a la misma etapa de ciclón se introduce en la última parte de dicho conducto elevador.
Description
Método y planta para precalentar un material
particulado o pulverulento.
La presente invención se refiere a un método
para precalentar un material particulado o pulverulento tal como
materia prima para cemento o un material similar en un precalentador
de ciclón, que comprende al menos dos etapas de ciclón,
comprendiendo cada una un conducto elevador y un ciclón.
La invención se refiere también a una planta
para realizar el método.
En la industria del cemento es una práctica
habitual usar lo que se denomina un precalentador de ciclón para
precalentar la materia prima de cemento antes de quemarla en un
horno en clínquer de cemento que se enfría posteriormente en un
refrigerador de clínquer. Típicamente, se usa un precalentador de
ciclón que comprende de cuatro a seis etapas de ciclón. La materia
prima se introduce en la primera etapa de ciclón y se calienta por
contacto directo con los gases de escape calientes del horno de
acuerdo con el principio de contra flujo. Los precalentadores de
esta clase generalmente se conocen a partir de la bibliografía de
patente y se proporciona un ejemplo en el documento EP 0455301.
Las materias primas que se usan para el proceso
de fabricación de cemento a menudo contienen sulfuros, por ejemplo
a partir de piritas (FeS_{2}) que durante el proceso de
precalentamiento en el precalentador reaccionarán con oxígeno para
formar SO_{2} que queda atrapado en la corriente de gas de escape
descargada del precalentador. El SO_{2} se forma por oxidación
parcial de por ejemplo FeS_{2} principalmente dentro de un
intervalo de temperatura de 300 a 550ºC. En una planta de
fabricación de cemento tradicional que comprende un precalentador
con cinco etapas de ciclón la formación de SO_{2} típicamente
ocurrirá en la segunda etapa de ciclón que en este contexto se
define como que comprende el conducto de descarga para gases de
escape desde el tercer ciclón y el segundo ciclón en el que las
materias primas típicamente se calientan desde una temperatura de
entre 300 y 350ºC a una temperatura de aproximadamente de 500ºC.
A partir del documento EP 1 200 176 se conoce un
método mediante el cual la materia prima calcinada se introduce en
los gases de escape en una localización inmediatamente posterior,
vista la dirección de desplazamiento de los gases de escape, donde
se ha formado SO_{2}. En principio, este método conocido funciona
satisfactoriamente, aunque su principal desventaja es que implica
costes de capital relativamente sustanciales para el equipo de
procesado adicional y gastos operativos adicionales,
fundamentalmente para energía.
Adicionalmente a partir del documento AT 390 249
se conoce un método así como una planta mediante la cual una parte
o toda la materia prima se introduce en una zona con una mayor
temperatura y por lo tanto con una capacidad de enlace potenciada
para SO_{2}, o donde se hace un ajuste de la temperatura en el
área circundante con una menor temperatura que se suministra con
gases de escape que contienen SO_{2} mediante gas caliente desde
un área más caliente del sistema del horno. La desventaja de esta
tecnología conocida inevitablemente conducirá a una temperatura
elevada de los gases de escape que salen del precalentador lo que
implica un consumo mayor de energía.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar un método así como un planta para precalentar un
material particulado o pulverulento mediante el cual se reduzcan
las desventajas mencionadas anteriormente.
Este objeto se consigue mediante un método de la
clase mencionada en la introducción y que se caracteriza porque una
parte del material que se suministra a al menos una etapa de ciclón
se introduce a la primera parte del conducto elevador, observado en
la dirección de desplazamiento de los gases de escape, y se calienta
desde una temperatura máxima de 450ºC a una temperatura de al menos
550ºC, y porque el material restante que se suministra a la misma
etapa de ciclón se introduce en la última parte de dicho conducto
elevador.
Como resultado, habrá una reducción en la
cantidad de SO_{2} que se descarga desde el precalentador de la
planta de cemento como emisión, sin un aumento simultáneo del
consumo de energía. Esto se debe al hecho de que introduciendo sólo
una parte del material en la primera sección del conducto elevador,
se proporciona una zona caliente con un exceso de calor suficiente
para permitir que el SO_{2} formado reaccione con el CaO y
CaCO_{3} de origen natural en la materia prima para formar,
respectivamente, CaSO_{4} y CaSO_{3}, así como CO_{2} y el
hecho de que el material restante se introduzca después de manera
que la temperatura de descarga de la etapa de ciclón específica se
reduzca a un nivel equivalente al que aplica si el precalentador
funcionara de una manera convencional. Los estudios realizados por
el solicitante que presenta la presente solicitud de patente han
demostrado, por lo tanto, un aumento significativo en el grado de
absorción de SO_{2} sobre CaO y CaCO_{3} a temperaturas por
encima de 550ºC y que esencialmente todo el SO_{2} que se forma
por oxidación de los sulfuros de las materias primas puede
absorberse, por lo tanto, por las materias primas CaO y CaCO_{3}
si la temperatura de los gases de escape/suspensión de materia prima
se eleva a un nivel de como mínimo 550ºC antes de la separación de
los gases de escape y las materias primas en el ciclón del
precalentador posterior.
La formación de SO_{2} como una función de la
temperatura depende en gran medida de la composición de la materia
prima de cemento. En la práctica real, los análisis de la materia
prima constituirán la base para determinar la temperatura inicial
más eficaz respecto a costes de la materia prima que debe calentarse
a al menos 550ºC en una y la misma etapa de proceso dentro de una
única etapa de ciclón. El grado de absorción o la capacidad de CaO
y CaCO_{3} para absorber SO_{2} como una función del tiempo
depende también de la temperatura. El tiempo de retención de los
gases de escape así como la materia prima en la etapa de proceso
específica será por tanto el determinante principal de la
temperatura mínima a la que debe calentarse la materia prima.
Típicamente, la temperatura inicial óptima estará dentro del
intervalo de 300 y 450ºC, mientras que la temperatura a la que la
materia prima debe calentarse en la etapa de proceso típicamente
variará entre 550 y 700ºC.
Generalmente, toda la materia prima que se
descarga de la etapa de ciclón anterior a una temperatura de como
máximo 450ºc puede calentarse a una temperatura de como mínimo 550ºC
dentro de una etapa de ciclón. En un precalentador de ciclón típico
que comprende cinco etapas de ciclón, la temperatura de los gases de
escape que fluyen desde la tercera etapa de ciclón hasta la segunda
etapa de ciclón estará a un nivel de aproximadamente 700ºC y por lo
tanto típicamente no contendrá la suficiente cantidad de energía
para calentar toda la materia prima desde como máximo de 450ºC a al
menos 550ºC. Para conseguir esto, los gases de escape del horno u
otra zona de alta temperatura pueden introducirse a la etapa de
ciclón específica o puede conseguirse en base a la combustión en la
etapa de ciclón. Sin embargo, como se ha observado anteriormente,
ambas soluciones aumentarán la temperatura de los gases de escape
que salen del precalentador, afectando así negativamente a la
economía térmica.
En lugar de ello se prefiere que sólo una parte
de la materia prima se someta al calentamiento desde como máximo
450ºC a como mínimo 550ºC en una única etapa de proceso. Más
específicamente, se prefiere que la cantidad de materia prima que
se somete al calentamiento desde como máximo 450ºC a como mínimo
550ºC en un única etapa de proceso se adapte de acuerdo con la
temperara y volumen de los gases de escape que fluyen desde la
tercera etapa de ciclón a la segunda etapa de ciclón. Esto puede
conseguirse dividiendo la corriente de materia prima. En una
primera realización preferida de la invención la materia prima que
se descarga desde el primer ciclón puede dividirse en al menos dos
subcorrientes, de las cuales una se dirige de una manera normal a y
se introduce en el conducto elevador de la segunda etapa de ciclón
por encima de la salida del gas de escape en el tercer ciclón,
mientras que la segunda corriente se introduce en este conducto
elevador en una localización inmediatamente por delante de la
entrada de gas en el segundo ciclo.
En una segunda realización alternativa, la
materia prima que se suministra al precalentador de ciclón pude
dividirse en al menos dos subcorrientes, de las cuales una se
precalienta también de una manera normal en la primera etapa de
ciclón y posteriormente se dirige y se introduce en el conducto
elevador de la segunda etapa de ciclón inmediatamente por encima de
la salida del gas de escape en el tercer ciclón, mientras que la
segunda subcorriente se desvía de la primera etapa del ciclón y se
introduce en el conducto elevador de la segunda etapa de ciclón en
una localización inmediatamente antes de la entrada de gas en el
segundo ciclón. En esta realización el consumo de calor puede ser
un poco mayor comparado con la realización preferida.
En la segunda etapa de ciclón ambas
realizaciones proporcionaran una primera zona con una temperatura
relativamente alta en la que puede tener lugar la formación y
absorción de SO_{2}, y una segunda zona en la que la parte
restante de la materia prima puede precalentarse de manera que la
temperatura disminuye a un nivel normal. De esta manera, será
posible retirar una cantidad significativa del SO_{2} que se forma
como resultado del contenido de sulfuro en la materia prima sin
aumentar la temperatura de los gases de escape, y por lo tanto el
consumo de calor. Son concebibles realizaciones y combinaciones
distintas de las descritas anteriormente y deben considerarse como
cubiertas por la presente solicitud de patente.
Como se ha mencionado anteriormente, el tiempo
de retención de los gases de escape así como la materia prima a una
temperatura dada en la etapa de proceso específica será un factor
para determinar la capacidad del CaO y CaCO_{3} existente para
absorber el SO_{2} dentro de este lapso de tiempo. En un
precalentador de ciclón configurado tradicionalmente, el tiempo de
retención de los gases de escape, por ejemplo en la segunda etapa
de ciclón, será relativamente corto, a menudo entre
0,5-1 segundo, mientras que el tiempo de retención
de la materia prima normalmente será algo mayor, a menudo de
aproximadamente 10 segundos de promedio. Con el propósito
específico de aumentar el tiempo de retención para la suspensión de
la materia prima y los gases de escape en la etapa de proceso en la
que la materia prima se calienta desde como máximo 450ºC a como
mínimo 550ºC, asegurando de esta manera una buena mezcla suficiente
para que ocurran las reacciones químicas deseadas, el conducto
elevador o el conducto que conecta la etapa de proceso posterior con
el ciclón en la etapa de proceso específica puede extenderse y
formarse por ejemplo como un cuello de cisne que comprende una
primera sección dirigida hacia arriba, un codo y una segunda
sección dirigida hacia abajo, que está conectada con el ciclón de
la etapa de proceso. En una segunda realización, el diámetro del
conducto elevador o el conducto puede aumentarse durante al menos
una parte de su extensión.
La planta para realizar el método de acuerdo con
la invención es de la clase que comprende un precalentador de
ciclón con al menos dos etapas, comprendiendo cada una un conducto
elevador y un ciclón, y que está caracterizado adicionalmente como
se define en la reivindicación 5.
Otras características de la planta de acuerdo
con la invención aparecerán a partir de la siguiente descripción
detallada, las reivindicaciones de patente y el dibujo.
La invención se describirá ahora con mayor
detalle con referencia al dibujo, que es esquemático y en el que
La Figura 1 muestra una primera realización
preferida de una planta de acuerdo con la invención,
La Figura 2 muestra una segunda realización
alternativa de una planta de acuerdo con la invención,
La Figura 3 muestra un detalle de la realización
mostrada en la Figura 1,
La Figura 4 muestra un detalle de la realización
mostrada en la Figura 2, y
La Figura 5 muestra una realización alternativa
del detalle mostrado en la Figura 3.
Las Figuras 1 y 2 muestran dos ejemplos
aproximadamente idénticos de plantas de horno para fabricar clínquer
de cemento. Ambas plantas de horno mostradas son de tipo ILC,
aunque la invención puede usarse en relación con plantas de tipo
SLC o cualquier otra planta que sea una combinación de dichas
plantas.
Cada una de las plantas mostradas comprende un
precalentador de ciclón con cuatro ciclones 1a, 1b, 1c, y 1d, donde
1a es el primer ciclón, 1b, es el segundo ciclón, 1c es el tercer o
penúltimo ciclón y 1d es el cuarto y último ciclón. Los ciclones
están conectados en serie y suministrados con gas/suspensión de
materia prima mediante conductos elevadores o conductos de gas 2a,
2b, 2c, y 2d. Las plantas comprenden, por lo tanto, cuatro etapas
de ciclón donde la primera etapa de ciclón está constituida por el
conducto elevador 2a y el ciclón 1a, la segunda etapa de ciclón
está constituida por el conducto elevador 2b y el ciclón 1b, la
tercera etapa de ciclón está constituida por el conducto elevador
2c y el ciclón 1c, y la cuarta etapa de ciclón está constituida por
el conducto elevador 2d y el ciclón 1d.
Las plantas incorporan también un calcinador 3
que comprende una abertura 9 para introducir la materia prima
precalentada desde el último ciclón 1d mediante su salida de
material 6, y que está conecta con un ciclón de separación 4, un
horno rotatorio 5 y un refrigerador de clínquer 7. Las plantas
comprenden también un conducto elevador del horno 10 para dirigir
los gases de escape del horno al calcinador 3, y un conducto 11 para
dirigir el aire precalentado desde el refrigerador de clínquer 7 al
calcinador 3. La materia prima a partir de una planta de materia
prima no mostrada se dirige al precalentador 1 mediante un conducto
13 y se precalienta en el precalentador en contraflujo respecto a
los gases de escape y posteriormente se descarga desde el
precalentador en el ciclón 1d y se dirige al calcinador 3 en el que
experimenta la calcinación. Desde la salida inferior del ciclón de
separación 4 la materia prima calcinada posteriormente se dirige a
través del conducto 8 al horno rotatorio 5 en el que se quema en el
clínquer de cemento que posteriormente se enfría en el refrigerador
de clínquer 7. Los gases de escape del horno rotatorio 5 y el
calcinador 3 se extraen del calcinador 3 a través del ciclón 4 y
hacia arriba a través del precalentador mediante un ventilador
mostrado esquemáticamente 14.
De acuerdo con la invención, una parte de la
materia prima que se dirige al conducto elevador 2b de la segunda
etapa de ciclón se calienta desde una temperatura como máximo de
450ºC a una temperatura de como mínimo 550ºC, mientras que el
material restante se introduce posteriormente en la última parte de
dicho conducto elevador de manera que la cantidad de SO_{2} que
reacciona con el CaO y CaCO_{3}, de origen natural en la materia
prima para formar CaSO_{4} y CaSO_{3}, respectivamente, aumenta,
reduciendo de esta manera la cantidad de SO_{2} que se descarga
del precalentador de la planta de cemento en forma de emisión.
En la práctica real se prefiere que la cantidad
de materia prima que se somete al calentamiento de como máximo
450ºC a como mínimo 550ºC en una etapa de proceso se ajuste respecto
a la temperatura y volumen de los gases de escape que fluyen desde
la tercera etapa de ciclón a la segunda etapa de ciclón. Esto puede
conseguirse dividiendo la corriente de materia prima como resulta
evidente a partir de las realizaciones mostradas en las Figuras 1 y
2.
En la primera realización preferida, mostrada en
la Figura 1, la materia prima descargada del primer ciclón 1a se
divide en al menos dos subcorrientes mediante una abertura divisora
15 o un mecanismo similar, de las cuales una subcorriente se dirige
de una manera normal y se introduce en la primera parte del conducto
elevador desde 2b de la segunda etapa de ciclón inmediatamente por
encima de la salida del gas de escape en el tercer ciclón 1c
mediante un conducto 15a mientras que la segunda subcorriente se
introduce mediante un conducto 15b en la última parte del conducto
elevador 2b de la segunda etapa de ciclón inmediatamente por delante
de la entrada de gas en el segundo ciclón 1b.
En la segunda realización alternativa, mostrada
en la Figura 2, la materia prima que se suministra al precalentador
de ciclón 1 se divide en al menos dos subcorrientes mediante una
abertura de división 16 o un mecanismo similar, de las cuales una
subcorriente se introduce de una manera normal mediante un conducto
16a en y se precalienta en el conducto elevador 2a de la primera
etapa de ciclón y después mediante el primer ciclón 1a se dirige a
y se introduce en la primera parte del conducto elevador 2b de la
segunda etapa de ciclón inmediatamente por encima de la salida de
gas de escape en el ciclón 1c, mientras que la segunda subcorriente
mediante el conducto 16b se desvía alrededor de la primera etapa de
ciclón 2a, 1a y se introduce en el conducto elevador 2b de la
segunda etapa de ciclón inmediatamente por delante de la entrada de
gas en el segundo ciclón 1b.
Mediante ambas realizaciones descritas de
acuerdo con la invención, será posible conseguir una primera zona
con una temperatura relativamente alta en la parte inferior del
conducto elevador 2b, zona en la que puede tener lugar la formación
y absorción de SO_{2}, y otra zona en la que la parte restante de
la materia prima se precalienta de manera que la temperatura se
reduce a un nivel normal.
En algunas plantas de horno existentes para
fabricar clínquer de cemento la primera etapa de ciclón comprende
dos ciclones denominados dobles. En dichos casos, será obvio
utilizar la división de materia prima, que tiene lugar entre los
ciclones dobles. De esta manera, la materia prima de uno de los
ciclones dobles debe dirigirse a e introducirse en la primera parte
del conducto elevador 2b de la segunda etapa de ciclón
inmediatamente por encima de la salida de gas de escape en el
tercer ciclón 1c mediante un conducto 15a, mientras que la materia
prima del segundo ciclón doble puede introducirse en la última parte
del conducto elevador 2b de la segunda etapa de ciclón
inmediatamente por encima de la entrada de gas en el segundo ciclón
1b. El segundo ciclón doble puede situarse ventajosamente en una
localización más alta de manera que la materia prima desde este
ciclón puede introducirse al conducto elevador 2b también en una
localización más alta.
Las realizaciones y combinaciones distintas de
las descritas anteriormente son concebibles y deben considerarse
cubiertas por la presente solicitud de patente.
Las Figuras 3 y 4 muestran cómo el conducto
elevador o el conducto 2b puede configurase, por ejemplo, como un
cuello de cisne que comprende una primera sección dirigida hacia
arriba, un codo y una segunda sección dirigida hacia abajo que está
conectada con el ciclón 1b, con propósito de aumentar el tiempo de
retención de la suspensión de materia prima y gases de escape en el
conducto elevador de 2b de la segunda etapa de ciclón. Por lo tanto
será posible optimizar el tiempo de retención para los gases de
escape así como la materia prima en la zona caliente con vistas a
conseguir los procesos químicos deseados. Típicamente, se prefiere
que el conducto elevador 2b se configure de manera que el tiempo de
retención se extienda en un factor entre 3 y 5.
La Figura 5 muestra cómo el tiempo de residencia
en la zona de reducción SO_{2} a alta temperatura puede
aumentarse sin aumentar la altura total de edificación de la torre
del precalentador 1 significativamente. En la realización mostrada,
el conducto elevador 2b se extiende hacia arriba, hacia abajo y
hacia arriba de nuevo. Una parte del material del ciclón 1a se
introduce en el conducto elevador 2b justo después del ciclón 1c
mientras que la parte restante del material desde 1a se introduce
después de la parte doblada en forma de U de la zona 2b. Parte del
material suspendido en el conducto elevador 2b se separa
inevitablemente en el fondo del conducto elevador doblado en forma
de U 2b. Sin embargo, este material puede introducirse simplemente
en el conducto elevador 2c como se muestra en la figura. Las
simulaciones térmicas han puesto de manifiesto que el consumo de
energía total por masa de clínquer producido disminuirá debido a
esta separación adicional en el conducto elevador 2b.
La presente invención no se limita a las
realizaciones mostradas que se usan únicamente para ilustración,
permitiendo de esta manera la configuración de numerosas
realizaciones alternativas combinaciones de las realizaciones
mostradas que están dentro del marco de la presente invención.
Claims (8)
1. Método para precalentar un material
particulado o pulverulento tal como materia prima de cemento o
material similar en un precalentador de ciclón (1), que comprende
al menos dos etapas de ciclón, comprendiendo cada una un conducto
elevador (2a, 2b, 2c, 2d) y un ciclón (1a, 1b, 1c, 1d),
caracterizado porque una parte del material que se
suministra a al menos una etapa de ciclón se introduce a la primera
parte del conducto elevador visto en la dirección de desplazamiento
de los gases de escape, y se calienta desde una temperatura de cómo
máximo 450ºC a una temperatura de al menos 550ºC, y porque el
material restante que se suministra a la misma etapa de ciclón se
introduce en la última parte de dicho conducto elevador.
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque la parte del material que se introduce
a la primera parte de dicho conducto elevador, se calienta desde una
temperatura entre 300 y 400ºC a una temperatura entre 550 y 700ºC
antes de que el material restante se introduzca en la última parte
de dicho conducto elevador.
3. Método de acuerdo con la reivindicación 1 ó
2, caracterizado porque el material que se descarga desde el
primer ciclón (1a) se divide en al menos dos subcorrientes de las
cuales una subcorriente mediante un conducto (15a) se dirige a y se
introduce en el conducto elevador (2b) inmediatamente por encima de
la salida de gas de escape en el tercer ciclón (1c), mientras que
la segunda subcorriente se introduce mediante un conducto (15b) en
el conducto elevador (2b) en una localización inmediatamente por
delante de la entrada de gas en el segundo ciclón (1b).
4. Método de acuerdo con la reivindicación 1 ó
2, caracterizado porque el material que se suministra al
precalentador de ciclón (1) se divide en al menos dos
subcorrientes, de las cuales una subcorriente mediante un conducto
(16a) se introduce y se precalienta en el primer conducto elevador
(2a), y después mediante el ciclón (1a) se dirige a y se introduce
en el conducto elevador (2b) inmediatamente por encima de la salida
del gas de escape en el tercer ciclón (1c), mientras que la segunda
subcorriente mediante un conducto (16b) se desvía alrededor de la
primera etapa de ciclón y se introduce en el segundo conducto
elevador (2b) inmediatamente por delante de la entrada de gas en el
segundo ciclón (1b).
5. Planta para realizar el método de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, siendo dicha planta de la
clase que comprende un precalentador de ciclón 1 con al menos dos
etapas de ciclón, comprendiendo cada una un conducto elevador (2a,
2b, 2c, 2d) y un ciclón (1a, 1b, 1c, 1d), caracterizado
porque comprende un medio para la introducción de una parte del
material que se suministra al menos una etapa de ciclón en la
primera parte del conducto, visto en la dirección de desplazamiento
de los gases de escape, para calentar dicha parte desde una
temperatura de como máxima 450ºC a una temperatura de al menos
550ºC, y un medio para introducir el material restante que se
suministra a la misma etapa de ciclón en la última parte de dicho
conducto elevador.
6. Planta de acuerdo con la reivindicación 5,
caracterizada porque el medio comprende aberturas de división
(15, 16).
7. Planta de acuerdo con la reivindicación 5 ó
6, caracterizada porque el conducto (2b) se configura como
un cuello de cisne que comprende una primera sección dirigida hacia
arriba, un codo y una segunda sección dirigida hacia abajo que está
conectada al ciclón (1b).
8. Planta de acuerdo con la reivindicación 5 ó
6, caracterizada porque el conducto (2b) está configurado con
un diámetro mayor sobre al menos una parte de su extensión.
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