ES2702479T3 - Procedimiento de oxicalcinación - Google Patents

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Abstract

Método de calcinación de harina cruda de cemento en un calcinador (10) que tiene una altura total del calcinador (H) y que se extiende entre un extremo inferior (11) y un extremo superior (12) en una dirección longitudinal, método por el cual: - se introducen combustible (13) y oxidante del calcinador en el calcinador (10) de modo que se asegure la combustión completa o sustancialmente completa del combustible (13) con el oxidante del calcinador y se genere calor dentro del calcinador (10), teniendo el oxidante del calcinador un contenido de oxígeno de al menos 30% en vol, preferiblemente al menos 50% en vol y más preferiblemente al menos 88% en vol, e introduciéndose en el calcinador (10) al menos a un nivel de entrada de oxidante, consistiendo dicho al menos un nivel de entrada de oxidante en o incluyendo un nivel de entrada de oxidante más bajo (L16, L16'); introduciéndose el combustible (13) en el calcinador en al menos un nivel de entrada de combustible, consistiendo dicho al menos un nivel de entrada de combustible en o comprendiendo un nivel de entrada de combustible más bajo (L13, L13'), - la harina cruda (14, 15) se suministra al calcinador (10), es arrastrada hacia el extremo superior (12) por un flujo de gas ascendente dentro del calcinador (10) y es calcinada para generar harina calcinada, extrayéndose la harina calcinada del calcinador (10) en el extremo superior (12) junto con un gas de combustión del calcinador, comprendiendo el flujo de gas ascendente: - gases de combustión generados por la combustión del combustible (13) con el oxidante del calcinador (16), - gas de descarbonatación generado por una descarbonatación de la harina cruda (14, 15) y - parte del gas de combustión del calcinador que se introduce en el calcinador (10) en el extremo inferior (11) como un gas de combustión de recirculación (80), - la harina calcinada se separa del gas de combustión del calcinador y parte del gas de combustión del calcinador separado se introduce en el calcinador como el gas de combustión de recirculación (80), por el cual: - el nivel de entrada de oxidante más bajo (L16) está situado corriente abajo del nivel de entrada de combustible más bajo (L13) a una distancia en una zona pobre en oxígeno Do >0 de dicho nivel de entrada de combustible más bajo (L13) creando así una zona pobre en oxígeno en el calcinador (10) en la que el combustible se mezcla con el gas de combustión de recirculación, estando situada dicha zona pobre en oxígeno entre el nivel de entrada de combustible más bajo (L13) y el nivel de entrada de oxidante más bajo (L16), suministrándose entre 50% y 100% en peso de la harina cruda (14, 15) al calcinador (10) corriente arriba de y/o en el nivel de entrada de oxidante más bajo (L16), preferiblemente al menos 75% en peso y más preferiblemente al menos 85% en peso de harina cruda, o - el nivel de entrada de combustible más bajo (L13') está situado a una distancia en la zona pobre en combustible Df >0 corriente abajo de la entrada de oxidante más baja (L16') creando así una zona pobre en oxígeno en el calcinador (10) entre el nivel de entrada de oxidante más bajo (L16') y el nivel de entrada de combustible más bajo (L13') en la que el oxidante del calcinador se mezcla con el gas de combustión de recirculación, suministrándose entre 50% y 100% en peso de harina cruda (14, 15) al calcinador (10) corriente arriba de y/o en el nivel de entrada de combustible más bajo (L13'), preferiblemente al menos 75% en peso y más preferiblemente al menos 85% en peso de la harina cruda.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento de oxicalcinación
La presente invención se refiere a la calcinación de harina cruda de cemento usando oxicombustión, siendo la calcinación de la harina cruda una etapa esencial en la producción de clínker de cemento.
La industria del cemento es un emisor importante del gas CO2 de efecto invernadero.
Dentro del procedimiento de producción del cemento, se generan cantidades significativas de CO2 más en particular durante la descarbonatación de la harina cruda (CaCO3) a la cal (CaO) por la siguiente reacción de equilibrio reversible:
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de modo que aproximadamente 80% del CO2 generado por una fábrica de cemento se produce a nivel del calcinador.
Como se explica en el artículo "The oxycombustion option" publicado en mayo de 2014, en el INTERNATIONAL CEMENT r Ev IEW 37, la industria del cemento ha hecho esfuerzos considerables para disminuir sus emisiones de CO2 mediante el uso de combustibles alternativos, menor consumo de calor específico en los sistemas de hornos y una disminución del factor de clínker con la adición de materiales cementeros complementarios que conducen a la reducción de CO2 en 20-30%.
Una posible ruta para mitigar más el CO2 está en la aplicación de la tecnología de captura y almacenamiento de carbono (CAC) o tecnología de captura, almacenamiento y uso de carbono (CAUC). Esta implica la captura de CO2 de los gases de combustión de la fábrica de cemento para el almacenamiento o para usar en otras aplicaciones industriales.
El aire usado en procedimientos de combustión convencionales consiste principalmente en nitrógeno (aproximadamente 78% en vol), formando dicho nitrógeno también el constituyente principal del gas de combustión generado por la combustión con aire.
Se han desarrollado varias tecnologías para extraer y capturar el CO2 de dichos gases de combustión, en particular para la industria de producción de energía.
La tecnología de referencia actual para la captura del CO2 presente en gases de combustión es el lavado con aminas.
Este procedimiento consiste en extraer la fracción de CO2 de un gas de combustión postcombustión mediante el lavado por barrido de gases con un sorbente de amina, regenerar el disolvente mediante destilación por arrastre de vapor, liberando así CO2 casi puro, y recircular el disolvente destilado por arrastre al absorbedor. Aunque esta tecnología es bastante eficaz, también es bastante cara.
Una alternativa al lavado con aminas postcombustión es el uso de la oxicombustión.
En el procedimiento de oxicombustión el oxígeno y el gas de combustión recirculado sustituyen al aire de combustión convencional, para así generar directamente un gas de combustión rico en CO2 durante la combustión y de esta forma reducir los costes de purificación del CO2 corriente abajo.
En una fábrica de cemento, la oxicombustión se puede aplicar bien a la línea de producción entera (es decir, tanto en la sección del calcinador como del horno rotatorio), denominándose dicho procedimiento "oxicombustión completa", o bien solamente a la etapa del calcinador, denominado "oxicombustión parcial". En el estudio comparativo "CO2 Capture in the cement Industry", Informe n° 2008/3, publicado por la Agencia Internacional de la Energía (AIE), se concluía que la oxicombustión parcial es la configuración más rentable y de menor riesgo para adaptar una fábrica de cemento existente. El informe de la AIE también concluía que la oxicombustión parcial era más barata que la tecnología de lavado con aminas postcombustión.
Sin embargo, el funcionamiento de un calcinador en modo de oxicombustión tiene un impacto importante en la reacción de descarbonatación mencionada antes, debido al aumento de la presión parcial del CO2. De hecho, la reacción de descarbonatación deseada solo ocurre si la presión en equilibrio, que depende mucho de la temperatura, supera la presión parcial del CO2 circundante.
Por lo tanto, con el fin de contrarrestar el alto contenido de CO2 asociado a la oxicombustión, sería necesario que el calcinador funcionara a una temperatura media mayor.
En los calcinadores que funcionan con combustión con aire, la atmósfera típicamente contiene de 25% en vol a un máximo de 35% en vol de CO2 La correspondiente temperatura de equilibrio de la reacción de descarbonatación está en el intervalo de 800°C a 850°C. De acuerdo con el estudio mencionado antes "CO2 Capture in the cement Industry", el cambio de combustión con aire a oxicombustión en un calcinador requeriría un aumento de temperatura del calcinador de aproximadamente 80°C para compensar el aumento en la presión parcial del CO2.
Como se reconoce en el artículo "The oxycombustion option", el funcionamiento del calcinador a temperaturas medias mayores implica un riesgo mayor de focos calientes dentro del calcinador, incluso más puesto que se sabe que quemar combustible con oxígeno genera gases del producto a alta temperatura.
Dichos focos calientes son responsables de las acumulaciones de material perjudiciales dentro del calcinador que conducen a costosas paradas del calcinador, siendo la alternativa el funcionamiento del calcinador a menor temperatura, lo cual daría como resultado un deterioro significativo de la eficacia del procedimiento (menor grado de calcinación). Este problema es incluso más evidente cuando se usan combustibles, tales como el coque de petróleo, que requieren altas temperaturas y tiempos de permanencia altos con el fin de lograr la combustión sustancialmente completa. Dichos combustibles se usan con frecuencia en la industria del cemento con el fin de reducir los costes de producción.
Un objetivo de la presente invención es superar al menos parcialmente los problemas mencionados antes.
La invención se dirige en particular a proporcionar un método de calcinación de harina cruda de cemento en un calcinador usando oxicombustión y que permita lograr simultáneamente un nivel de calcinación suficiente y reducir o incluso evitar la aparición de acumulaciones perjudiciales en el calcinador.
El calcinador se extiende entre un extremo inferior y un extremo superior en una dirección longitudinal, siendo dicha dirección longitudinal típicamente vertical o sustancialmente vertical.
El combustible y el oxidante del calcinador se introducen en el calcinador. El combustible se quema con el oxidante del calcinador para generar calor dentro del calcinador. El oxidante del calcinador tiene un contenido de oxígeno entre 30 y 100% en vol.
El oxidante del calcinador ventajosamente tiene un contenido de oxígeno de al menos 50% en vol, preferiblemente al menos 88% en vol.
El combustible y el oxidante del calcinador se introducen en el calcinador de modo que se asegure la combustión sustancialmente completa y preferiblemente completa de dicho combustible, y preferiblemente, de modo que se minimice el exceso de oxígeno en el gas de combustión a la salida del calcinador, teniendo en cuenta cualquier entrada de aire en el calcinador. La cantidad de oxígeno, denominada oxígeno en exceso, presente en el gas de combustión del calcinador, típicamente se mantiene por debajo de 7% en vol, preferiblemente por debajo de 5% en vol.
La combustión del combustible se dice que es sustancialmente completa cuando el contenido de carbono orgánico en la harina calcinada es menor de 0,5% en peso.
Se suministra de igual modo la harina cruda al calcinador. Dentro del calcinador, la harina cruda es arrastrada hacia el extremo superior por un flujo de gas ascendente.
La harina cruda es calcinada en el calcinador y la harina calcinada así obtenida se extrae del calcinador en el extremo superior junto con el gas de combustión del calcinador.
- El flujo de gas ascendente que arrastra la harina cruda típicamente contiene: los gases de combustión generados por la combustión del combustible con el oxidante del calcinador
- el gas de descarbonatación generado por la calcinación de la harina cruda y que consiste esencialmente en CO2, y - parte del gas de combustión del calcinador que se introduce en el calcinador por el extremo inferior como gas de combustión de recirculación.
Una vez extraída del calcinador, la harina calcinada se separa del gas de combustión del calcinador. Parte del gas de combustión del calcinador separado, como se ha descrito antes, se introduce en el calcinador como el gas de combustión de recirculación.
El oxidante del calcinador se introduce en el calcinador en al menos un nivel de entrada de oxidante. El combustible se introduce en el calcinador en al menos un nivel de entrada de combustible.
El al menos un nivel de entrada de oxidante puede consistir en un solo nivel de entrada de oxidante, el cual se denomina entonces "el nivel de entrada de oxidante más bajo".
Alternativamente, el al menos un nivel de entrada de oxidante puede consistir en múltiples niveles de entrada de oxidante a lo largo de la dirección longitudinal del calcinador, denominándose el nivel de entrada de oxidante más cercano al extremo inferior del calcinador, el "nivel de entrada de oxidante más bajo".
Igualmente, el al menos un nivel de entrada de combustible puede consistir en un solo nivel de entrada de combustible que se denomina entonces "el nivel de entrada de combustible más bajo".
Alternativamente, el al menos un nivel de entrada de combustible puede consistir en múltiples niveles de entrada de combustible a lo largo de la dirección longitudinal del calcinador, denominándose el nivel de entrada de combustible más cercano al extremo inferior del calcinador, el "nivel de entrada de combustible más bajo".
De acuerdo con la presente invención, entre 50% y 100% en peso de la harina cruda se suministra al calcinador en una zona de combustión de combustible limitada o incluso sin ella.
Esto se logra de acuerdo con una de las siguientes opciones:
Opción 1: el nivel de entrada de oxidante más bajo está situado corriente abajo (en términos del flujo de gas ascendente) del nivel de entrada de combustible más bajo y este a una distancia en la zona de pobre en oxígeno Do(>0) del nivel de entrada de combustible más bajo, creando así una zona pobre en oxígeno en el calcinador, suministrándose al menos 50% en peso de la harina cruda al calcinador corriente arriba de y/o en el nivel de entrada de oxidante más bajo, preferiblemente al menos 85% en peso de la harina cruda;
u
Opción 2: el nivel de entrada de combustible más bajo está situado corriente abajo (en términos del flujo de gas ascendente) del nivel de entrada de oxidante más bajo y este a una distancia en la zona de pobre en combustible Df(>0) del nivel de entrada de oxidante más bajo, creando así una zona pobre en oxígeno en el calcinador, suministrándose al menos 50% en peso de la harina cruda al calcinador corriente arriba de y/o en el nivel de entrada de combustible más bajo, preferiblemente al menos 85% en peso de la harina cruda.
En general se prefiere la opción 1.
Cuando el combustible o el oxidante del calcinador se mezcla con el gas de combustión de recirculación antes de que este último se introduzca en el calcinador, por ejemplo dentro del conducto elevador, dicho combustible, respectivamente el oxidante del calcinador, es arrastrado por el gas de combustión de recirculación y entra en el calcinador por el extremo inferior junto con el gas de combustión de recirculación. En ese caso, el nivel del extremo inferior de calcinador corresponde al nivel de entrada de combustible más bajo, respectivamente el nivel de entrada de oxidante más bajo.
En el contexto de la descripción de la presente invención, las expresiones "corriente abajo" y "corriente arriba" deben interpretarse con respecto al flujo de gas ascendente en el calcinador. Por lo tanto, "corriente abajo" se refiere a un nivel más alto en el calcinador (visto en la dirección longitudinal) y "corriente arriba" a un nivel más bajo en el calcinador.
En el método según la primera opción, se suministra ventajosamente al menos 50% en peso de la harina cruda al calcinador corriente arriba del nivel de entrada de oxidante más bajo, preferiblemente al menos 75% en peso o incluso al menos 85% en peso.
De igual modo, en el método según la segunda opción se suministra ventajosamente al menos 50% en peso de la harina cruda al calcinador corriente arriba del nivel de entrada de combustible más bajo, preferiblemente al menos 75% en peso o incluso al menos 85% en peso.
Se ha encontrado sorprendentemente que, mientras que se observaban rápidamente acumulaciones perjudiciales de material dentro del calcinador para otras configuraciones de introducción en el calcinador de la harina, combustible y oxidante del calcinador, este no era el caso para las configuraciones de introducción de la harina, combustible y oxidante del calcinador según la invención.
Se ha encontrado más específicamente que, con las configuraciones de introducción de la harina, combustible y oxidante del calcinador de la invención, cuanto mayor era la porción de harina cruda inyectada en y/o (preferiblemente) corriente arriba del nivel de entrada de oxidante más bajo (opción 1), respectivamente el nivel de entrada de combustible (opción 2), más se inhibía la formación de acumulaciones en el calcinador. Típicamente, la harina cruda introducida en el calcinador consiste al menos en parte en harina cruda previamente calentada en un precalentador. Preferiblemente toda la harina cruda introducida en el calcinador se ha precalentado en un precalentador. Se proporcionan más adelante detalles adicionales en relación con cómo se puede precalentar la harina cruda.
La distancia de la zona pobre en oxígeno Do, respectivamente, la distancia de la zona pobre en combustible Df, ventajosamente es entre 1/10 y 4/10 de la altura total del calcinador, siendo dicha distancia más preferiblemente entre 2/10 y 3/10 de la altura total del calcinador.
La zona pobre en oxígeno, respetivamente la zona pobre en combustible está situada ventajosamente en la mitad inferior, preferiblemente en el tercio inferior del calcinador, es decir, en la mitad o un tercio del calcinador que incluye l t i f i
Una o más de una entrada de oxidante pueden estar situadas en el nivel de entrada de oxidante más bajo.
Cuando están en el nivel de entrada de oxidante más bajo, al menos parte del oxidante del calcinador se introduce por una pluralidad de entradas de oxidante, denominándose en lo sucesivo dichas entradas de oxidante "primeras entradas de oxidante", entonces dichas primeras entradas de oxidante están ventajosamente separadas entre sí radialmente alrededor de la dirección longitudinal del calcinador y preferiblemente están distribuidas uniformemente alrededor de dicha dirección longitudinal.
Cuando están en el nivel de entrada de combustible más bajo, el combustible se introduce en el calcinador por una multitud de entradas de combustible, entonces dichas "primeras entradas de combustible" están del mismo modo ventajosamente separadas entre sí radialmente alrededor de la dirección longitudinal, preferiblemente están distribuidas uniformemente alrededor de dicha dirección longitudinal.
En muchos casos, el funcionamiento del calcinador se puede mejorar y se puede reducir más el riesgo de acumulaciones de material perjudiciales introduciendo el oxidante del calcinador en múltiples niveles de entrada del oxidante, en particular en relación con la opción 1 de la presente invención. De esta forma, la generación de calor por combustión en el calcinador es escalonada.
En este caso, el oxidante del calcinador se divide en una primera porción y una segunda porción de oxidante del calcinador. La primera porción de oxidante del calcinador se introduce en el calcinador en el nivel de entrada de oxidante más bajo por una o más primeras entradas de oxidante. La segunda porción de oxidante del calcinador se introduce en el calcinador en uno o más segundos niveles de entrada de oxidante por encima del nivel de entrada de oxidante más bajo por una o más "segundas entradas de oxidante" en cada segundo nivel de entrada de oxidante. Cuando la segunda porción de oxidante del calcinador se introduce en el calcinador por múltiples segundas entradas de oxidante:
- al menos algunas de dichas segundas entradas de oxidante pueden estar separadas entre sí en la dirección longitudinal del calcinador, es decir, pueden estar situadas en diferentes segundos niveles de entrada de oxidante; y/o
- al menos algunas de dichas segundas entradas de oxidante pueden estar separadas entre sí radialmente, es decir con múltiples segundas entradas de oxidante en un segundo nivel de entrada de oxidante, que están separadas radialmente alrededor de dicha dirección longitudinal, y preferiblemente uniformemente.
Las consideraciones presentadas antes con respecto a dicho oxidante del calcinador también se aplican al combustible que se suministra al calcinador cuando dicho combustible se introduce en el calcinador en múltiples niveles de entrada de combustible, en particular en el caso de la realización según la opción 2.
Se observará que una instalación de producción de cemento también puede comprender equipo adicional tal como un segundo precalentador. Por ejemplo, en un segundo precalentador de harina cruda, la harina cruda se puede precalentar mediante el gas de combustión que procede del horno rotatorio. El procedimiento según la presente invención requiere que al menos uno, pero no necesariamente todos los calcinadores, funcionen como se ha descrito antes.
El combustible introducido en el calcinador puede incluir una combinación de diferentes tipos o calidades de combustible.
En comparación con los calcinadores que funcionan con aire como el oxidante del calcinador, el método según la presente invención genera directamente un gas de combustión rico en CO2 que sale del calcinador por su extremo superior. Como resultado, el gas de combustión de recirculación contiene al menos 40% en volumen seco de CO2, preferiblemente al menos 60% y más preferiblemente al menos 75% en volumen seco.
La porción del gas de combustión del calcinador que se introduce en el calcinador como gas de combustión de recirculación depende, entre otros, de la cantidad de gas de combustión que se requiere para generar un flujo de gas ascendente en el calcinador que sea suficiente para arrastrar la harina cruda al extremo superior del calcinador mientras se asegura también un tiempo de permanencia del combustible suficiente para lograr la combustión del combustible completa o sustancialmente completa. En la práctica, conseguir la combustión adecuada del combustible dentro del calcinador a menudo es el factor más crítico y la cantidad de gas de combustión de recirculación es ventajosamente o está cerca del nivel mínimo del gas de combustión de recirculación necesario para arrastrar la harina cruda al extremo superior del calcinador.
Al hacer esto, el tiempo de permanencia de la harina cruda en el calcinador en general es tal que se alcance el nivel requerido de descarbonatación. El gas de combustión de recirculación típicamente corresponde a entre 10% en vol y 80% en vol, preferiblemente entre 30% en vol y 50% en vol del gas de combustión total del calcinador.
El gas de combustión del calcinador extraído del extremo superior del calcinador se introduce ventajosamente en un precalentador de harina cruda, tal como, por ejemplo, un precalentador de ciclón de una etapa o múltiples etapas, antes de que parte del mismo sea recirculado al calcinador como gas de combustión de recirculación.
Se observará que la instalación de producción de cemento puede comprender equipo adicional tal como un segundo precalentador.
El gas de combustión de recirculación se introduce convenientemente en el calcinador a una temperatura de al menos 400°C, preferiblemente de al menos 700°C y más preferiblemente de al menos 900°C. Como consecuencia, en particular cuando el gas de combustión del calcinador ha pasado por un precalentador de harina cruda antes de que parte del mismo sea recirculado, dando como resultado una disminución de la temperatura del gas de combustión, el propio gas de combustión de recirculación se puede (pre)calentar antes de introducirlo en el calcinador.
La porción del gas de combustión del calcinador que no es recirculada al calcinador típicamente se somete a un procedimiento de purificación para extraer constituyentes distintos del CO2 de la misma, de modo que permita la valorización o secuestro/almacenamiento del CO2 presente dentro de dicha porción no recirculada del gas de combustión del calcinador, reduciendo así las emisiones de CO2 del procedimiento de producción de cemento. Una ventaja de la presente invención es que se puede obtener CO2 en gran medida puro a partir de la porción no recirculada del gas de combustión del calcinador usando métodos de purificación distintos de la tecnología de lavado con aminas relativamente cara. Como se ha indicado antes, después del procedimiento de purificación, el gas de combustión del calcinador purificado se pude almacenar y/o usar como CO2 en un procedimiento industrial.
La presente invención también se refiere al uso del presente método de calcinación de harina cruda de cemento en la producción de clínker de cemento.
Por lo tanto, la presente invención también cubre un método de producción de clínker de cemento por el cual se calcina harina cruda por el método según la invención y por el cual la harina calcinada se introduce en un horno y se somete a clinkerización dentro del horno, siendo el horno típicamente un horno rotatorio.
Según una realización del método de producción de cemento según la invención, (a) la salida de gas del horno no está conectada al extremo inferior del calcinador sino, por ejemplo, a otra torre de precalentador, y (b) la combustión tiene lugar en el horno con un oxidante de horno que tiene un contenido de oxígeno menor de 30% en vol, tal como aire y en particular aire que viene del enfriador de clínker.
Según una realización alternativa, la combustión tiene lugar en el horno con un oxidante de horno que tiene un contenido de oxígeno entre 30% en vol y 100% en vol, preferiblemente de al menos 50% en vol y más preferiblemente de al menos 88% en vol. En este caso la salida de gas del horno puede estar conectada al extremo inferior del calcinador. En particular, todo o parte del gas de combustión del calcinador que se introduce en el calcinador como gas de combustión de recirculación se puede entonces inyectar primero en el horno, por ejemplo a través del enfriador de clínker, y después introducir en el calcinador como parte del gas de combustión del horno. De esta forma, el gas de combustión de recirculación también se precalienta durante este paso a través del enfriador de clínker.
La presente invención también se refiere a una instalación de calcinación para usar en el método de calcinación según la invención. Dicha instalación de calcinación para calcinar la harina cruda de cemento comprende un calcinador que tiene una altura total del calcinador y que se extiende, en una dirección longitudinal, entre un extremo inferior y un extremo superior.
El calcinador de la instalación de calcinación de la invención presenta un nivel de entrada de oxidante más bajo en el que están situadas una o más primeras entradas de oxidante, y opcionalmente uno o más segundos niveles de entrada de oxidante situados por encima del nivel de entrada de oxidante más bajo en la dirección longitudinal, estando situadas una o más segundas entradas de oxidante en cada segundo nivel de entrada de oxidante presente. Las primeras entradas de oxidante y, si están presentes, las segundas entradas de oxidante del calcinador están conectadas a una fuente de oxidante del calcinador que tiene un contenido de oxígeno de al menos 30% en vol, preferiblemente al menos 50% en vol y más preferiblemente al menos 88% en vol, de modo que el oxidante del calcinador se puede suministrar a dichas entradas de oxidante e inyectar en el calcinador por dichas entradas de oxidante.
El calcinador también presenta un nivel de entrada de combustible más bajo en el que están situadas una o más entradas de combustible, y opcionalmente uno o más segundos niveles de entrada de combustible situados por encima del nivel de entrada de combustible más bajo en la dirección longitudinal, de modo que una o más entradas de combustible adicionales, denominadas "segundas entradas de combustible" están situadas en cada segundo nivel de entrada de combustible presente.
Además, el calcinador presenta una salida de gas de combustión situado en el extremo superior del calcinador, una entrada de recirculación de gas de combustión en el extremo inferior del calcinador y una o más entradas de harina cruda.
Según la presente invención, la configuración de entradas del calcinador de la harina, combustible y oxidante del calcinador es tal que, en funcionamiento, se cree una zona de baja combustión dentro del calcinador y de modo que al menos parte de la harina se introduce en el calcinador en dicha zona de baja combustión.
Según una primera opción, esto se logra al estar situado el nivel de entrada de oxidante más bajo por encima del nivel de entrada de combustible más bajo a una distancia en la zona pobre en oxígeno Do >0 (en la dirección longitudinal) de dicha entrada de combustible más baja, y estando al menos una entrada de harina cruda situada por debajo o en el nivel de entrada de oxidante más bajo, preferiblemente por debajo.
Según una segunda opción, esto se logra al estar situado el nivel de entrada de combustible más bajo por encima del nivel de entrada de oxidante más bajo a una distancia en la zona pobre de combustible Df >0 (en la dirección longitudinal) del nivel de entrada de oxidante más bajo, estando situado al menos una entrada de harina cruda por debajo o en el nivel de entrada de combustible más bajo.
La distancia de la zona pobre en oxígeno Do, respectivamente, la distancia de la zona pobre en combustible Df, ventajosamente es entre 1/10 y 4/10 de la altura total del calcinador, incluso más preferiblemente entre 2/10 y 3/10 de la altura total del calcinador.
En funcionamiento, la salida de gas de combustión del calcinador está conectada a la entrada de recirculación del gas de combustión del calcinador mediante un circuito de recirculación para así permitir que parte del gas de combustión del calcinador sea introducido en el calcinador por la entrada de recirculación de gas de combustión como gas de combustión de recirculación. Como se ha descrito antes con respecto al método de calcinación, el circuito de recirculación puede incorporar dispositivos tales como un precalentador de harina cruda y, como se ha descrito antes, puede incluir incluso un horno cuando dicho horno se hace funcionar con un oxidante de horno que contiene al menos 30% en vol de oxígeno.
La instalación de calcinación de la invención puede comprender por lo tanto un precalentador de harina cruda conectado a la salida del gas de combustión, de modo que recibe el gas de combustión del calcinador de esta, y a una o más entradas de harina cruda del calcinador, para así proporcionar al mismo harina cruda precalentada. Con el fin de permitir la valorización o almacenamiento/secuestro del CO2 , la instalación de calcinación preferiblemente comprende una instalación de purificación del gas de combustión conectada a la salida de gas de combustión del calcinador, estando adaptada dicha instalación de purificación del gas de combustión para eliminar componentes distintos de CO2 del gas de combustión extraído del calcinador a través del gas de combustión. Cuando hay conectado un precalentador de harina cruda a la salida del gas de combustión para así recibir el gas de combustión del calcinador del mismo, preferiblemente la instalación de purificación del gas de combustión está conectada al precalentador de harina cruda para así recibir el gas de combustión del calcinador desde el precalentador de harina cruda, estando por lo tanto indirectamente conectada la instalación de purificación del gas de combustión a la salida del gas de combustión del calcinador.
La presente invención también se refiere a una unidad de producción de clínker de cemento que comprende una instalación de calcinación como se ha descrito antes y un horno de clinkerización, típicamente o horno de clinkerización rotatorio. El horno de clinkerización está conectado a la instalación de calcinación de modo que la harina calcinada en el calcinador es transferida al horno de clinkerización de modo que sea clinkerizada en el mismo.
La presente invención y sus ventajas se entenderán mejor a la luz de los ejemplos siguientes, haciendo referencia a las figuras 1 y 2, en las cuales:
- la figura 1 es una representación esquemática parcial de una instalación adecuada para usar en el método de calcinación según la opción 1 de la presente invención, y
- la figura 2 es una representación esquemática parcial de una instalación adecuada para usar en el método de calcinación según la opción 2 de la presente invención.
La figura 1 muestra un calcinador 10 que se extiende, en su dirección longitudinal vertical, entre un extremo inferior 11 y un extremo superior 12, teniendo el calcinador una altura total H.
En el ejemplo ilustrado, todo el combustible 13 se introduce en un conducto elevador 19 corriente arriba del extremo inferior 11. En el presente caso, el combustible sólido 13 es coque de petróleo, pero se puede introducir una combinación de diferentes combustibles, incluyendo combustibles de desecho y/o combustibles fósiles, por ejemplo, en diferentes situaciones del calcinador 10.
Por lo tanto, el calcinador 10 ilustrado tiene solo un nivel de entrada de combustible, es decir, el nivel de entrada más bajo L13, que coincide con el (nivel del) extremo inferior 11 del calcinador, actuando la conexión del conducto elevador al extremo inferior 11 del calcinador como una entrada de combustible L13 única al calcinador 10.
Todo el oxidante del calcinador 16 se introduce en el calcinador 10 en el nivel L16 por múltiples entradas de oxidante distribuidas uniformemente alrededor de la circunferencia del calcinador 10.
El oxidante del calcinador 16 tiene un contenido de oxígeno de 99% en vol. Todo el oxidante del calcinador 16 se inyecta en el calcinador 10 en el nivel L16, siendo por lo tanto el nivel L16 el nivel de entrada de oxidante más bajo y único del calcinador, siendo las entradas de oxidante en el nivel L16 primeras entradas de oxidante como se ha definido antes. Por dichas primeras entradas de oxidante, se introduce el oxidante del calcinador en el calcinador 10 en una cantidad suficiente para asegurar la combustión completa de la cantidad total de combustible, a la vez que se minimiza cualquier exceso de oxígeno en el gas de combustión del calcinador.
Do es la distancia en la zona pobre en oxígeno entre el nivel de entrada de combustible más bajo L13 corriente arriba y el nivel de entrada de oxidante más bajo L16 corriente abajo. La zona en el calcinador 10 entre el nivel de entrada de combustible más bajo L13 y el nivel de entrada de oxidante más bajo L16, es decir, entre el extremo inferior 11 y el nivel L16, es una zona pobre en oxígeno en el que tiene lugar poca o nada de combustión del combustible.
Una primera porción 14 de la harina cruda (precalentada) se inyecta en el conducto elevador 19 corriente arriba del calcinador 10. Esta primera porción 14 de harina cruda se introduce entonces en el calcinador 10 por su extremo inferior 11 donde entra en dicha zona pobre en oxígeno. El resto 15 de la harina cruda (precalentada) se inyecta en la zona pobre en oxígeno del calcinador 10 por una entrada de harina cruda situada en el nivel L15 corriente abajo del nivel de entrada de combustible más bajo L13 y corriente arriba del nivel de entrada de oxígeno más bajo L16.
La harina cruda 14, 15 introducida en el calcinador 10 es arrastrada hacia el extremo superior 12 del calcinador 10 mediante un flujo de gas ascendente. Durante el paso ascendente a través del calcinador 10, la harina cruda es calcinada al menos parcialmente, y de hecho al menos 92%, bajo la influencia del calor generado por la combustión del combustible 13 con el oxidante del calcinador 16 y por cualquier calor introducido en el calcinador 10 mediante un gas de combustión de recirculación. En el presente contexto, la harina de cemento calcinada parcial y totalmente que sale del calcinador se denomina indiscriminadamente "harina calcinada". La harina calcinada se extrae del calcinador 10 por su extremo superior 12 junto con el gas de combustión del calcinador.
La corriente de gas corriente arriba que arrastra la harina cruda comprende vapores generados por la combustión del combustible 13 y gas de descarbonatación (CO2) generado por la descarbonatación de la harina cruda 14, 15.
Como se explicará en lo sucesivo, la corriente de gas corriente arriba comprende además gas de combustión de recirculación.
Desde el extremo superior 12 del calcinador 10, el gas de combustión del calcinador y la harina calcinada son transportados a un primer ciclón, ciclón de separación 20, en el que se separa la harina calcinada 21 del gas de combustión del calcinador.
Desde el ciclón de separación 20, la harina calcinada 21 separada típicamente es transportada a un horno de clinkerización rotatorio (no está representado) para la producción de clínker. En el caso de oxicombustión parcial, la combustión tiene lugar en el horno rotatorio con un oxidante que tiene un contenido de oxígeno menor de 30% en vol. A partir del ciclón de separación 20, el gas de combustión del calcinador separado se introduce en la torre precalentadora de la harina cruda 30 que comprende tres ciclones 31, 32, 33 adicionales a través de los cuales fluye sucesivamente el gas de combustión del calcinador separado. La harina cruda 40 que se va a precalentar se introduce en la salida de gas del ciclón medio 32 por la entrada 34 desde donde es arrastrada por el flujo de gas al ciclón superior 33. Desde el ciclón superior 33, la harina cruda parcialmente precalentada se introduce en la salida de gas del ciclón inferior 31 (de la torre precalentadora 30) por la entrada 35 desde donde es arrastrada al ciclón medio 32. Desde el ciclón medio 32, la harina cruda se introduce en la salida de gas del ciclón de separación 20 por la entrada 36 desde donde es arrastrada al ciclón inferior 31 de la torre 30, después de lo cual la harina cruda precalentada es enviada al separador de harina 50 antes de introducirla en el calcinador 10 como se ha descrito antes, es decir, indirectamente por el conducto elevador 19 y directamente al calcinador 10 en el nivel L15.
El ventilador extractor 60 extraer el gas de combustión del calcinador del ciclón superior 33. Corriente abajo del ventilador extractor 60 el gas de combustión del calcinador se separa en dos corrientes, una primera corriente 70, que se elimina del sistema y se envía para el procesamiento del gas de combustión corriente abajo, y una segunda corriente 80 de gas de combustión de recirculación que es recirculado e introducido en el calcinador 10 po conducto elevador 19 y el extremo inferior 11, como parte del flujo de gas ascendente en el calcinador. Si es adecuado, el gas de combustión de recirculación 80 se puede precalentar antes de reintroducirlo en el calcinador 10
(no está ilustrado). En el ejemplo dado, el gas de combustión de recirculación 80 se introducía en el calcinador a una temperatura de 800 a 900°C.
Como se ha mencionado antes, la instalación de producción de cemento puede comprender un segundo precalentador de harina cruda (no se muestra), que se alimenta, por ejemplo, con el gas de combustión del horno rotatorio.
La figura 2 muestra una instalación similar a la mostrada en la figura 1, pero en la que la harina cruda de cemento se calcina usando el método de calcinación de harina cruda de cemento según la segunda opción de la invención.
En el ejemplo ilustrado, todo el oxidante del calcinador 16' se introduce en el conducto elevador 19 corriente arriba del extremo inferior 11. Por lo tanto, el calcinador 10 tiene solo un nivel de entrada de oxidante único, es decir, el nivel de oxidante de entrada más bajo L16', que coincide con el extremo inferior 11 del calcinador 10, actuando la conexión del conducto elevador al extremo inferior 11 del calcinador como la entrada de oxidante única al calcinador 10.
Todo el combustible 13' se introduce en el calcinador 10 en el nivel L13' mediante una entrada de combustible única o mediante múltiples entradas de combustible distribuidas uniformemente alrededor de la circunferencia del calcinador 10. Por lo tanto, el nivel L13' es el nivel de entrada de combustible más bajo y único del calcinador.
Df es la distancia en la zona pobre en combustible entre nivel de entrada de oxidante más bajo L16' corriente arriba y el nivel de entrada de combustible más bajo L13' corriente abajo, es decir, entre el extremo inferior 11 y el nivel de entrada de combustible más bajo L13'. La zona en el calcinador 10 entre el extremo inferior 11 del calcinador 10 y el nivel L13' es una zona pobre en combustible en la que no tiene lugar combustión del combustible.
De nuevo, se inyecta una primera porción 14 de harina cruda (precalentada) al conducto elevador 19 corriente arriba del calcinador 10. Esta primera porción 14 de la harina cruda se introduce así en el calcinador 10 por su extremo inferior 11 donde entra en dicha zona pobre en combustible. El resto 15 de la harina cruda (precalentada) se inyecta en la zona pobre en oxígeno del calcinador 10 por una entrada de harina cruda situada en el nivel L15 corriente abajo del nivel de entrada de oxidante más bajo L16' y corriente arriba del nivel de entrada de combustible más bajo L13'.
Aparte de lo anterior, las características del procedimiento e instalación son análogas a las del ejemplo previo. Ambas opciones del método según la invención permiten que el calcinador 10 funcione sin ningún deterioro del procedimiento debido a las acumulaciones de material dentro de dicho calcinador 10, a la vez que se mantiene un nivel alto de calcinación. Sin embargo, cuando en condiciones del procedimiento por lo demás similares, el combustible, oxidante del calcinador y harina cruda se introducían en el calcinador 10 con una configuración de las entradas de la harina, combustible y oxidante del calcinador y proporciones de inyección conocidas del estado de la técnica y que no se correspondían con una configuración según la presente invención, la eficacia del procedimiento empezaba a deteriorarse en unas pocas horas de funcionamiento debido a los niveles crecientes de acumulación de material en el calcinador 10.

Claims (17)

REIVINDICACIONES
1. Método de calcinación de harina cruda de cemento en un calcinador (10) que tiene una altura total del calcinador (H) y que se extiende entre un extremo inferior (11) y un extremo superior (12) en una dirección longitudinal, método por el cual:
- se introducen combustible (13) y oxidante del calcinador en el calcinador (10) de modo que se asegure la combustión completa o sustancialmente completa del combustible (13) con el oxidante del calcinador y se genere calor dentro del calcinador (10), teniendo el oxidante del calcinador un contenido de oxígeno de al menos 30% en vol, preferiblemente al menos 50% en vol y más preferiblemente al menos 88% en vol, e introduciéndose en el calcinador (10) al menos a un nivel de entrada de oxidante, consistiendo dicho al menos un nivel de entrada de oxidante en o incluyendo un nivel de entrada de oxidante más bajo (L16, L16'); introduciéndose el combustible (13) en el calcinador en al menos un nivel de entrada de combustible, consistiendo dicho al menos un nivel de entrada de combustible en o comprendiendo un nivel de entrada de combustible más bajo (L13, L13'),
- la harina cruda (14, 15) se suministra al calcinador (10), es arrastrada hacia el extremo superior (12) por un flujo de gas ascendente dentro del calcinador (10) y es calcinada para generar harina calcinada, extrayéndose la harina calcinada del calcinador (10) en el extremo superior (12) junto con un gas de combustión del calcinador, comprendiendo el flujo de gas ascendente:
- gases de combustión generados por la combustión del combustible (13) con el oxidante del calcinador (16), - gas de descarbonatación generado por una descarbonatación de la harina cruda (14, 15) y
- parte del gas de combustión del calcinador que se introduce en el calcinador (10) en el extremo inferior (11) como un gas de combustión de recirculación (80),
- la harina calcinada se separa del gas de combustión del calcinador y parte del gas de combustión del calcinador separado se introduce en el calcinador como el gas de combustión de recirculación (80),
por el cual:
- el nivel de entrada de oxidante más bajo (L16) está situado corriente abajo del nivel de entrada de combustible más bajo (L13) a una distancia en una zona pobre en oxígeno Do >0 de dicho nivel de entrada de combustible más bajo (L13) creando así una zona pobre en oxígeno en el calcinador (10) en la que el combustible se mezcla con el gas de combustión de recirculación, estando situada dicha zona pobre en oxígeno entre el nivel de entrada de combustible más bajo (L13) y el nivel de entrada de oxidante más bajo (L16), suministrándose entre 50% y 100% en peso de la harina cruda (14, 15) al calcinador (10) corriente arriba de y/o en el nivel de entrada de oxidante más bajo (L16), preferiblemente al menos 75% en peso y más preferiblemente al menos 85% en peso de harina cruda, o
- el nivel de entrada de combustible más bajo (L13') está situado a una distancia en la zona pobre en combustible Df >0 corriente abajo de la entrada de oxidante más baja (L16') creando así una zona pobre en oxígeno en el calcinador (10) entre el nivel de entrada de oxidante más bajo (L16') y el nivel de entrada de combustible más bajo (L13') en la que el oxidante del calcinador se mezcla con el gas de combustión de recirculación, suministrándose entre 50% y 100% en peso de harina cruda (14, 15) al calcinador (10) corriente arriba de y/o en el nivel de entrada de combustible más bajo (L13'), preferiblemente al menos 75% en peso y más preferiblemente al menos 85% en peso de la harina cruda.
2. Método según la reivindicación 1, en donde la distancia Do en la zona pobre en oxígeno, respectivamente la distancia Df en la zona pobre en combustible es entre 1/10 y 4/10 de la altura total del calcinador (H), más preferiblemente entre 2/10 y 3/10 de la altura total del calcinador (H).
3. Método según la reivindicación 1 o 2, por el cual al menos parte del oxidante del calcinador (16) se introduce en el calcinador (10) en el nivel de entrada de oxidante más bajo (L16, L16') por una pluralidad de primeras entradas de oxidante del calcinador, estando al menos algunas de dichas primeras entradas de oxidante radialmente separadas entre sí en la dirección longitudinal del calcinador (10) y/o alrededor de la dirección longitudinal del calcinador (10).
4. Método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, por el cual el oxidante del calcinador se divide en una primera y segunda porción, introduciéndose la primera porción en el calcinador (10) en el nivel de entrada de oxidante más bajo (L16, L16') por una o más primeras entradas de oxidante, introduciéndose la segunda porción del oxidante del calcinador en el calcinador (10) en uno o más segundos niveles de oxidante corriente abajo del nivel de entrada de oxidante más bajo (L16, L16') por una o más segundas entradas de oxidante.
5. Método según la reivindicación 4, por el cual la segunda porción del oxidante del calcinador se introduce en el calcinador (10) por más de una segunda entrada de oxidante, estando al menos algunas de dichas segundas entradas de oxidante separadas entre sí en la dirección longitudinal del calcinador (10) y/o radialmente alrededor de la dirección longitudinal del calcinador (10).
6 Mét d ú l i d l i i di i d t l l l d b tió d recirculación (80) contiene al menos 40% en volumen seco de CO2 , preferiblemente al menos 60% y más preferiblemente al menos 75%.
7. Método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, por el cual el gas de combustión de recirculación (70) se introduce en el calcinador (10) a una temperatura de al menos 400°C, preferiblemente al menos 700°C y más preferiblemente al menos 900°C.
8. Método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, por el cual el gas de combustión del calcinador separado se introduce después en un precalentador de harina cruda (39) antes de introducir parte del gas de combustión del calcinador separado en el calcinador como el gas de combustión de recirculación (80).
9. Método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, por el cual una segunda parte del gas de combustión del calcinador separado se somete a un procedimiento de purificación del gas para extraer constituyentes distintos del CO2 del mismo y no se introduce en el calcinador (10) como gas de combustión de recirculación.
10. Método según la reivindicación 9, por el cual después del procedimiento de purificación del gas, la segunda parte purificada del gas de combustión del calcinador se almacena y/o usa como CO2 en un procedimiento industrial.
11. Procedimiento de producción de clínker de cemento por oxicombustión parcial, por el cual se calcina harina cruda por el método según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes.
12. Procedimiento de clínker de cemento por oxicombustión completa, por el cual se calcina harina cruda por el método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.
13. Instalación de calcinación para calcinar harina cruda de cemento, comprendiendo la instalación un calcinador (10) que tiene una altura total del calcinador (H) y que se extiende entre un extremo inferior (11) y un extremo superior (12) en una dirección longitudinal, presentando el calcinador (10):
- un nivel de entrada de oxidante más bajo en el que están situadas una o más primeras entradas de oxidante, y opcionalmente una o más segundos niveles de entrada de oxidante situados por encima del nivel de entrada de oxidante más bajo en la dirección longitudinal, y en el que están situadas una o más segundas entradas de oxidante, estando conectadas dichas primeras entradas de oxidante y, si están presentes, dichas segundas entradas de oxidante a una fuente de oxidante del calcinador que tiene un contenido de oxígeno de al menos 30% en vol, preferiblemente al menos 50% en vol y más preferiblemente al menos 88% en vol,
- un nivel de entrada de combustible más bajo en el que están situadas una o más primeras entradas de combustible,
- una salida de gas de combustión situada en el extremo superior (12) del calcinador (10),
- una entrada de recirculación de gas de combustión situada en el extremo inferior (11) del calcinador (10),
- una o más entradas de harina cruda,
por el cual:
- el nivel de entrada de oxidante más bajo está situado por encima del nivel de entrada de combustible más bajo a una distancia en una zona pobre en oxígeno Do >0 de dicha entrada de oxidante más baja en la dirección longitudinal, estando situada al menos una entrada de harina cruda por debajo o en el nivel de entrada de oxidante más bajo en la dirección longitudinal, o
- el nivel de entrada de combustible más bajo está situado por encima del nivel de entrada de oxidante más bajo a una distancia en la zona pobre en combustible Df >0 del nivel de entrada de oxidante más bajo en la dirección longitudinal, estando situada al menos una entrada de harina cruda por debajo o en el nivel de entrada de combustible más bajo en la dirección longitudinal.
14. Instalación de calcinación según la reivindicación 13, por la cual la distancia en una zona pobre en oxígeno Do, respectivamente la distancia en la zona pobre en combustible Df, es entre 1/10 y 4/10 de la altura total del calcinador (H) o incluso más preferiblemente entre 2/10 y 3/10 de la altura total del calcinador (H).
15. Instalación de calcinación según la reivindicación 13 o 14, que además comprende un precalentador de harina cruda conectado a la salida del gas de combustión y a una o más entradas de harina cruda del calcinador.
16. Instalación de calcinación según la reivindicación 15, que además comprende una instalación de purificación del gas de combustión conectada a la salida del gas de combustión del calcinador (10), estando adaptada dicha instalación de purificación del gas de combustión para eliminar componentes distintos del CO2 del gas de combustión extraído del calcinador (10) por la salida del gas de combustión.
17. Unidad de producción de clínker de cemento que comprende una instalación de calcinación según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16 y un horno de clinkerización, preferiblemente un horno de clinkerización rotatorio, estando conectado el horno de clinkerización a la instalación de calcinación de modo que la harina calcinada en el calcinador (10) es transferida al horno de clinkerización.
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