ES2903255A1 - Sistema para la inclusión de procesos de pirólisis en fábricas integrales de cemento - Google Patents

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Abstract

Sistema para la inclusión de procesos de pirólisis en fábricas integrales de cemento, basado en la integración en un proceso de fabricación de clínker de cemento de un proceso pirolítico de alta temperatura y velocidad intermedia, aprovechando las corrientes gaseosas calientes sobrantes de los procesos cementeros para la producción de Biochar, Biochar Activo y el resto de los subproductos que se originan.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema para la inclusión de procesos de pirólisis en fábricas integrales de cemento
OBJETO DE LA INVENCION
El objeto de la presente patente de Invención es establecer un método para la integración de plantas de pirólisis de velocidad de calentamiento intermedia y alta temperatura, para la producción de Biochar y otras corrientes líquidas y gaseosas de materiales con propiedades combustibles o para otras aplicaciones, aprovechando los calores residuales de procesos cementeros.
La industria cementera, cuenta en sus procesos de fuentes de calor a alta temperatura, aprovechables para lograr el calentamiento hasta la temperatura adecuada para la obtención de Biochar a partir de materias orgánicas residuales, en procesos asimilables a los procesos de pirólisis.
El Biochar o carbón vegetal, producido a partir de materia orgánica residual en procesos de pirólisis (evaporación de elementos volátiles mediante calentamiento en ausencia de O2) tiene actualmente un gran desarrollo como producto con propiedades interesantes para la agricultura, como adsorbente de contaminantes (Biochar Activado) y sobre todo como sumidero de CO2. Las variables más importantes para conseguir producir un Biochar de calidad (y sobre todo un Biochar Activado) son utilizar la materia orgánica residual adecuada, conseguir una velocidad de calentamiento y un tiempo de residencia apropiado y sobre todo, alcanzar una temperatura máxima en el producto lo más elevada posible con objeto de lograr una relación H/C inferior a 0,7 (idealmente próxima a 0,4), al objeto de conseguir un producto mineral lo más estable posible no degradable por microorganismos.
Adicionalmente, durante la producción de Biochar en los procesos de pirólisis, se producen compuestos volátiles con un poder calorífico suficientemente elevado como para poderlo utilizar en procesos de calentamiento del propio proceso cementero o de otros procesos anexos que requieran de un combustible (por ejemplo: calderas de agua, motores de producción de energía eléctrica, otros procesos industriales). Los compuestos producidos en el proceso de pirólisis pueden ser tarquines o residuos sólidos, efluentes líquidos combustibles de viscosidad variable o gases combustible. Dependiendo de las condiciones del proceso de pirólisis es posible la producción del llamado “Wood Vinegar” utilizado como herbicida natural.
La integración de este proceso en la industria cementera puede ayudar a reducir considerablemente la contribución de la misma a la generación de gases de efecto invernadero, tratando materiales residuales orgánicos (restos de poda, paja no aprovechable, desechos de la industria ganadera y de la industria de transformación agrícola, desarrollo de la industria forestal, tratamiento de purines, tratamiento de lodos de depuradora urbana, fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos) que actualmente no se aprovechan y se depositan en vertederos, fermentando y produciendo metano y otros gases con una contribución al cambio climático muy superior al propio CO2.
Finalmente, como producto, el Biochar tiene numerosas aplicaciones y es posible que, en los próximos años, su desarrollo pueda hacer de este material un elemento muy utilizado a nivel mundial:
- comida para ganado,
- usos en agricultura como enmienda o fertilizante,
- adsorbente de sustancias contaminantes en corrientes gaseosas o líquidas,
- aplicación para la remediación de suelos,
- como adición a asfaltos y cemento, etc.
En todos los casos, las características del Biochar como sumidero de CO2 y las propiedades combustibles de los subproductos que se obtienen en el proceso de pirólisis, son las propiedades más relevantes para considerar su producción.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las fábricas de cemento son instalaciones de reconocida solvencia, con una tecnología en constante evolución, sobre todo a partir de mediados del siglo XX, enfocada básicamente a los problemas derivados de la producción de clínker de cemento, elemento considerado estratégico sobre todo en países en vías de desarrollo, pero también para los países desarrollados, por cuanto las estructuras de hormigón construidas no tienen una vida infinita y será necesario reformarlas.
En los últimos años, a nivel europeo, las fábricas integrales de producción de cemento se han adaptado para reducir costes, principalmente utilizando combustibles alternativos derivados de residuos. Esta adaptación ha sido posible gracias a las condiciones innatas del proceso cementero: altas temperaturas y tiempos de residencia, atmósfera oxidante, medio alcalino; así como a un intenso programa de inversión para adaptar instalaciones y procesos. No obstante, la crisis económica ha venido a golpear duramente al sector, sobre todo en Europa, donde el nivel de infraestructuras construidas es elevado, por lo que las ventas de cemento han caído considerablemente, no siendo necesarias muchas de las plantas instaladas. El aumento de los costes de la energía eléctrica y de los combustibles y sobre todo, el cambio en el marco de la regulación de la asignación de los derechos de emisión, para intentar combatir los efectos del cambio climático, avocan al cierre de muchas plantas integrales de cemento, las cuales se instalarán en países en vías de desarrollo, en los cuales la legislación no sea tan estricta como en Europa, y donde los volúmenes de venta y precio del cemento, prevén fuertes beneficios económicos, comenzando una estrategia para desinvertir en Europa, y trasladar su producción a terceros países.
La destrucción del tejido productivo, debido a estos tres factores conjugados: Aumento de precios de los combustibles y energía eléctrica, aumento de precio por la emisión de gases de efecto invernadero, caída del volumen de venta de cemento; parecen abocar al sector, al cierre definitivo de sus instalaciones en Europa.
Al mismo tiempo, debido a la presión social y de las administraciones, con la aplicación de leyes más rigurosas de control ambiental, las fábricas han debido realizar fuertes inversiones para controlar sus emisiones: partículas canalizadas (filtros de mangas), SO2 (spray dryer), NOx (SCNR), partículas fugitivas (naves, pantallas cortavientos, cierre de cintas, ...), equipos de medición en continuo. La preocupación por estos temas relacionados con la salud y el bienestar, no pueden reducir el nivel de exigencia que las Administraciones deben de exigir a la industria, por lo que en los próximos años estas exigencias aumentarán.
Por otro lado, las características inherentes al proceso de fabricación de cemento que requiere el manejo de materiales pulverulentos, y las críticas de los grupos ecologistas contra los procesos de valorización de residuos, hacen que las fábricas de cemento sean mal percibidas entre muchos sectores de la población, afectados de una forma u otra por el funcionamiento de estas instalaciones. Sobre todo, de aquellas que no han adaptado sus activos a las nuevas necesidades sociales debido a la falta de rentabilidad, que supuso en los últimos años, una caída importante en el nivel de inversión que era preciso realizar para el mantenimiento adecuado de instalaciones, procesos, equipos y capital humano.
A pesar de todo, la sociedad moderna plantea retos adicionales a las industrias:
- Reducción significativa de la emisión de gases de efecto invernadero para luchar contra el cambio climático,
- Mejora en los sistemas de tratamiento de gases contaminantes, a través de sistemas transparentes, debidamente explicados a la ciudadanía,
- Modificación del modelo energético: Aumento en la producción de energía eléctrica para dar servicio al cambio tecnológico que supondrá el paso del motor de combustión al motor eléctrico del parque automovilístico,
- Procesos para la gestión de residuos generados,
- Seguridad y fiabilidad de los sistemas de producción,
- Preservación de recursos a través de políticas de reciclaje,
- Y también, producción de cemento para la fabricación de hormigón necesario para el mantenimiento y mejora de viviendas e infraestructuras.
La industria cementera cuenta con una gran implantación en todo el mundo. Así, mientras que en los países desarrollados que ya no necesitan tanto cemento se produce el cierre de instalaciones, estos mismos países demandan más energía eléctrica y producen más residuos, por lo que se necesitan sistemas para la producción de dicha energía eléctrica y se debe invertir en instalaciones para la gestión adecuada de residuos. Por otro lado, en el resto del mundo, muchos países en vía de desarrollo necesitan la urbanización de sus ciudades, demandando gran cantidad de cemento, lo que obliga a tener unas fábricas en las que se produzca este elemento de construcción de una forma diferente a la que era admisible hasta la fecha, reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero, y de otros contaminantes ambientales para evitar el cambio climático y la contaminación del planeta.
En lo referente a la producción de Biochar, este producto es conocido desde hace muchos siglos bajo diferentes denominaciones (carbón vegetal, cisco o picón). Su producción se realizaba tradicionalmente en las denominadas “carboneras”: apilamiento de leña de diferentes especies vegetales, que se cubrían con ramas y musgo, para posteriormente proceder a su calentamiento en atmósferas reductoras (carbonización) durante varios días, emitiendo una considerable cantidad de gases contaminantes.
El carbón vegetal de las carboneras fue siempre un material apreciado por sus propiedades caloríficas y adsorbentes, pero tenía diversos inconvenientes tales como la baja eficiencia de producción debido a los métodos manuales empleados, el peligro que representaba los métodos para comprobar que el carbón vegetal estaba maduro y las grandes emisiones de CO2 , CO, CH4 y otros gases contaminantes emitidos durante su proceso de producción en las antiguas carboneras. Todos estos inconvenientes hicieron que el carbón vegetal dejara de ser usado sobre todo a partir de la generalización de los combustibles fósiles.
Debido a la emergencia climática derivada de las emisiones de gases de efecto invernadero, la idea de poder confinar CO2 en materiales sólidos estables, en procesos asimilable a los que se produjeron en nuestro planeta durante el Paleozoico en un proceso que condujo a la reducción de la alta concentración de CO2 emitidos durante el Precámbrico, es una idea que resulta muy atractiva para reducir el actual riesgo de llegar a unos niveles de incremento de temperatura del planeta catastróficos debido al incremento de las concentraciones de CO2 y otros gases de efecto invernadero liberados por el hombre en los 200 últimos años.
De este modo, en los últimos años se han realizado multitud de estudios respecto a nuevos usos y propiedades del Biochar y sus subproductos derivados, así como de nuevos procesos de producción.
Organizaciones como el International Biochar Initiative o a nivel europeo la European Biochar Foundation trabajan para la promoción y estandarización de los distintos procesos y productos obtenidos, desarrollando una labor importante de conexión y coordinación entre las diferentes compañías e instituciones interesadas, tanto desde el punto de vista de mejora de su producción como en los posibles usos a los que destinar este material.
Entre los usos y propiedades del Biochar y de los subproductos obtenidos de su proceso de producción, que despiertan tanto interés entre las empresas, investigadores y usuarios, destacan:
• Mejora de suelos para la promoción de vida vegetal:
o disponibilidad de nutrientes,
o mejora de las propiedades físicas de los suelos (retención de agua, aireación de raíces),
o interacción con microbios,
o remediación de suelos: retención de componentes tóxicos,
o menor necesidad de biocidas y pesticidas en los campos.
• Mitigación del cambio climático:
o menor tasa de oxidación (conversión de la materia orgánica a CO2 por medio de microorganismos) que la biomasa de la que deriva (sumidero de CO2).
o efectos en el ciclo del N de los suelos: reducción de la producción bacteriológica de N20.
• Gestión de residuos orgánicos: soluciones técnicas para el tratamiento de diferentes tipos de residuos orgánicos: maderas, paja, purines, lodos de depuradora, materia orgánica procedente de residuos sólidos urbanos.
• Producción de biocombustibles: subproductos gaseosos y líquidos con Poder Calorífico suficiente, producidos durante el proceso de carbonización.
• Uso como adsorbente (Biochar activo) para la depuración de contaminantes de aguas y gases, incluso como agente desintoxicante o liberador lento de principios activos para medicamentos.
• Otras aplicaciones: alimentación de ganado, mejoras en la producción de compost vegetal, preparación de productos líquidos con propiedades fúngicas, aplicación en la construcción mezclado con cemento o asfalto, incluso recuperar su uso tradicional como combustible verde.
Para la producción de un Biochar de calidad y sus subproductos, las variables a tener en cuenta son:
- las propiedades de la materia prima utilizada,
- la Temperatura Máxima alcanzada en el proceso,
- el Tiempo de Residencia,
- la Velocidad de Calentamiento
- y la Adición de aditivos.
En la actualidad, dependiendo del tiempo de residencia, se pueden distinguir entre tres tipos de procesos pirolíticos: rápidos, intermedios o lentos.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La idea se basa en aprovechar los gases calientes sobrantes del proceso de producción de clínker de cemento para emplear ese calor en la reacción de pirólisis para la generación de Biochar y sus subproductos.
Para poder realizar el proceso de pirólisis se emplea el calor de dos corrientes del proceso de producción de clínker de cemento:
- La salida de gases de los procesos de Bypass de cloro tomados de los primeros ciclones del intercambiador de calor del proceso cementero (sentido gases), con temperaturas muy altas alrededor de 800 - 900oC y con un contenido en O2 muy bajo (alrededor del 1%).
- La salida de gases de los últimos ciclones del intercambiador de calor del proceso cementero (sentido gases), con temperaturas altas en torno a 360-400°C y con un contenido en O2 medio (alrededor del 6%).
La primera de esas corrientes de gases existe en muchos procesos cementeros con alto contenido de cloro recirculante que debe ser reducido gracias a estas instalaciones de purga. La segunda de las corrientes definidas suele ser empleada para secar la materia prima salvo durante el 25% del tiempo aproximadamente en el que se para el molino de crudo, tiempo en el que se evacúan todos los gases a la atmósfera. En cualquier caso, ambas corrientes deben se atemperadas mediante procesos de enfriamiento antes de pasar por sistemas de filtración para reducir la carga de polvo y evitar que las emisiones superen el valor límite de partículas emitidas establecido por la legislación.
Así, tenemos dos fuentes de calor procedentes del proceso de fabricación de clínker que se puede emplear para elevar la temperatura de la materia orgánica residual para convertirla en Biochar mediante procesos de elevación de temperatura en ausencia de O2 (proceso pirolítico).
En nuestro diseño el Biochar se producirá mediante un proceso pirolítico utilizando diversos tornillos sinfín para mover la materia orgánica residual mediante motores de velocidad variable para adecuar la velocidad de calentamiento y el tiempo de residencia a las condiciones de la materia prima. Se trata pues, de un proceso de pirólisis intermedia que consta de las siguientes fases:
- Pretratamiento (trituración, mezcla y presecado) y homogeneización de la materia orgánica.
- Introducción al primer tornillo sinfín para secado de la materia prima. Se alcanza una temperatura del material de alrededor de 110oC durante el tiempo de residencia adecuado, ajustable gracias a la velocidad del sinfín. El vapor producido se envía a un sistema de refrigeración para condensar el vapor de agua extraído. El agua obtenida contiene diversos compuestos orgánicos por lo que será necesario depurarla. En algunos casos, la mezcla del agua formada mezclada con compuestos orgánicos conforma un líquido con propiedades insecticidas conocido como “Wood Vinegar”. El calor para esta evaporación lo aportan los gases del proceso cementero que pasan por el exterior del tornillo sinfín.
- El material seco pasa al 2o tornillo sinfín (de velocidad variable), en el que se evapora una cantidad considerable de elementos volátiles. En este punto el material alcanza una temperatura alrededor de 250oC lo que provoca la volatilización de determinados compuestos orgánicos. El calor para esta volatilización lo aportan los gases del proceso cementero que pasan por el exterior del tornillo sinfín. Los volátiles formados, son extraídos por un soplante de alta temperatura que mueve los volátiles que se extraen de ese 2o tornillo sinfín, los cuales son conducidos a un intercambiador de calor y al resto del proceso (es posible que a esta corriente se incorpore parte del vapor de agua producido en el primer tornillo sinfín para aumentar el caudal de gas vehiculado, así como para mejorar la producción de H2 en el 3er tonillo sinfín gracias a la presencia de vapor de agua). El material seco y parcialmente descompuesto pasa al 3er tonillo sinfín.
- Los volátiles formados en el 2o tornillo sinfín pasan por un intercambiador de calor para subir la temperatura de los gases al entorno de los 550oC. En ese intercambiador, el calor lo aporta los gases de las dos corrientes del proceso de fabricación de clínker antes mencionados que se han mezclado en ese intercambiador. Esta corriente sufre un incremento adicional de temperatura gracias a un proceso de combustión que se explicará a continuación.
- Los volátiles que se calientan en el intercambiador de calor a unos 550oC pasan al 3er tonillo sinfín, cediendo su calor al material sólido parcialmente descompuesto procedente del 2o tornillo sinfín con el que se mezclan. Los gases del proceso cementero que pasan por el exterior del 3er tornillo sinfín también aportan calor adicional para conseguir alcanzar una temperatura de la materia prima sólida de unos 500oC, temperatura a la que se volatiliza una cantidad adicional de compuestos orgánicos que son conducidos a cualquier clase de proceso térmico para el aprovechamiento de esta corriente con un poder calorífico considerable (por ejemplo: el propio horno de fabricación de clínker de cemento). El material sólido no volatilizado que sale de este 3er tornillo sinfín es el conocido Biochar (inertes más compuestos cíclicos de carbono) con propiedades adecuadas para un número importante de aplicaciones. Ese material debe ser enfriado para su uso comercial. - Una cantidad variable del Biochar formado en el paso anterior, antes de ser enfriado, puede ser enviada directamente a una cámara de mezcla, en la que entra en contacto directo con los gases de salida del bypass de cloro, alcanzando una temperatura de 800oC antes de su evacuación y enfriamiento del proceso. A esta temperatura de 800oC se siguen evaporando más volátiles con poder calorífico, al mismo tiempo se logra la activación del Biochar muy apreciado como adsorbente de sustancias contaminantes. El Biochar activado deber ser enfriado para su uso comercial.
Para concluir la explicación del proceso, se debe describir cual es el camino que siguen los gases del proceso de fabricación de clínker de cemento:
- En primer lugar, los gases que se extraen de los primeros ciclones (sentido gases) para la purga del Bypass de cloro que están cargados de polvo en suspensión, pasan por una serie de multiciclones para reducir la carga de partículas que arrastran.
- Posteriormente, estos gases con alta temperatura y sin oxígeno y con alto contenido en CO2 , entran en contacto con las partículas de Biochar procedentes del 3er tornillo sinfín para su activación, alcanzando altas temperaturas necesarias para convertir el Biochar en Biochar activado. En este proceso se desprenden gases volátiles combustibles.
- A continuación, la mezcla entre el gas del Bypass de cloro y los volátiles evaporados, entra en contacto con los gases procedentes de los últimos ciclones (sentido gases) del intercambiador de calor del proceso de fabricación de clínker de cemento (también puede reducirse la carga de partículas que transportan estos gases mediante multiciclones), a menor temperatura, pero con un contenido en O2 de alrededor del 6% lo que produce la combustión de los gases combustibles volatilizados en el proceso de activación del Biochar, lo cual aumenta la temperatura de los gases mezclados. En ocasiones puede ser necesario añadir aire del exterior para aumentar la cantidad de O2 necesario para completar la combustión de todos los volátiles producidos en el proceso de activación del Biochar. En esta cámara se produce el calentamiento de los volátiles que salen del 2o tornillo sinfín (y si procede del 1er tornillo sinfín) antes de entrar en el 3er tornillo sinfín para proseguir con el proceso de volatilización de la materia orgánica residual (materia prima).
- Los gases salen posteriormente de esta cámara y atraviesan un conducto en el que se cruzan los 3 tornillos sinfín que transporta la materia prima que se está calentando y descomponiendo. Es posible conducir a estos gases para el presecado de la materia orgánica residual empleada en el proceso.
- Todo este proceso supone una reducción de la temperatura de los gases que debe ser complementado con un proceso de enfriamiento hasta una temperatura lo más baja posible (quenching) con el objeto de preparar a los gases para la depuración de las partículas que transporta en un filtro de mangas. Es posible que pueda ser necesario la adición de algún elemento adsorbente (caliza húmeda, carbón activo o el mismo Biochar Activo) antes del quenching para terminar de depurar los elementos volátiles que pudiera contener los gases antes de ser emitidos a la atmósfera.
El proceso descrito puede ser optimizado en procesos cementeros en los que la corriente de gases para calentar el proceso sea lo más homogénea posible. Podría resultar ideal, la existencia de dos molinos de crudo que se alternen en el tiempo para que siempre sobre la misma cantidad de gases que no son necesarios para el secado y la molienda de la materia prima caliza que se ha de alimentar al horno de clínker de cemento, pudiendo tener de esta forma el proceso de pirólisis dos corrientes de gases calientes estables en el tiempo.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para la mejor comprensión de cuanto se ha descrito en la presente memoria, se acompañan unos dibujos en los que, tan sólo a título de ejemplo, se representa el concepto básico de funcionamiento y disposición del proceso, así como de los distintos elementos auxiliares que podrían añadirse para la optimización de este.
En la figura 1 se representa el croquis de una fábrica integral de cemento con un solo molino de crudo.
En la figura 2 se representa el croquis de una fábrica integral de cemento con un solo molino de crudo a la que se le ha añadido un bypass de cloro.
En la figura 3 se representa el croquis de una fábrica integral de cemento con un bypass de cloro, a la que se le ha sustituido el molino de crudo por dos molinos más pequeños para liberar una porción de gases (alrededor del 25%), los cuales se han enviado a los equipos de quenching del bypass de cloro.
En la figura 4 se representa el croquis de una fábrica integral de cemento con un solo molino de crudo y bypass de cloro al que se le ha añadido los equipos necesarios para la producción de Biochar y sus subproductos mediante un proceso de pirólisis.
En la figura 5 se representa el croquis de una fábrica integral de cemento con un bypass de cloro, a la que se le ha sustituido el molino de crudo por dos molinos más pequeños para liberar una porción de gases para dar mayor estabilidad temporal al proceso pirólisis intermedia mediante tornillos sinfines de velocidad variable junto a los equipos necesarios para la producción de Biochar y sus subproductos.
En la figura 6 se representa el croquis de los equipos del proceso de pirólisis para la producción de Biochar y sus subproductos.
Las tuberías de gases y líquidos y los fluidores, cintas, elevadores u otros equipos empleados para el movimiento de sólidos que conectan los equipos de los croquis de todas las figuras por los que circulan los distintos tipos de materiales del proceso cementero se representan atendiendo al siguiente código:
- Las líneas continuas corresponden a flujos de gases/aire/oxígeno/vapor.
- Las líneas punteadas corresponden a flujos de Materia Orgánica / Biochar /Adsorbente (caliza húmeda, carbón activo, Biochar activo).
- Las líneas compuestas por raya y punto corresponden a flujos de materias sólidas:
materias primas, crudo, clínker, polvo CKD, polvo del Bypass.
- Las líneas compuestas por raya y dos puntos corresponden al flujo de combustibles.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA
Las formas para aplicar este modelo pueden variar dependiendo de las diversas configuraciones de la fábrica de cemento concreta y del nivel de inversión que se desee acometer para reformar una instalación existente.
En general, se debe considerar que todos los hornos cementeros para producir clínker constan de una entrada de materias primas (3000), las entradas de combustibles (1000) y una salida de cemento para su expedición (2000).
La línea básica de fabricación de clínker de cemento sería:
La línea de fabricación de clínker puede ser cualquier línea de producción habitualmente instalada en el mundo. Aunque las fábricas pueden tener configuraciones muy variadas, lo más habitual sería que contuviera los elementos descritos en la figura 1 (el modelo, número y tamaño de cada equipo instalado depende del grado de innovación de cada instalación):
(1) Enfriador de clínker: El clínker caliente (1.450°C) que cae a este equipo procedente del horno (2), se enfría con aire atmosférico aportado por unos ventiladores. Los gases calientes generados en el proceso de enfriamiento se usan como aire secundario para la combustión del combustible (1000) utilizado en el propio horno (2) o el precalcinador (3). El aire que sobra se lleva al filtro (10) gracias a la depresión generada en el circuito por ventiladores situados adecuadamente a lo largo del proceso.
(2) Horno de clínker: En este equipo el crudo (materia prima mezclada y molida) procedente de la torre de intercambio (4), alcanza la temperatura necesaria para que se produzcan las reacciones de clinkerización (~1.450°C). Parte del aire caliente producido en el enfriador (1) (1.100°C) se usa como aire secundario para la combustión de diferentes tipos de combustibles alimentados a través de un quemador apropiado existente.
(3) Precalcinador: Elemento en el que se realiza una combustión adicional, reduciendo la combustión que se realiza en el horno (2). Se logra reducir la carga térmica de la combustión del quemador del horno (menos NOx), combustionar otro tipo de combustibles, reducir las pérdidas de calor en el horno, así como le proporciona estabilidad a todo el proceso de producción. El calor generado en el precalcinador se emplea en la descarbonatación de la caliza y la deshumidificación, produciéndose la unión de las corrientes de gases calientes generados en el precalcinador con el crudo procedente de la torre de intercambio de calor (4). Para la combustión del combustible aportado se usa como comburente el aire caliente procedente del enfriador (1).
Cuanto más moderna sea la línea en la que aplicar la invención se puede mejorar la eficiencia del sistema, por lo que es recomendable la instalación de este precalcinador anexo a la torre de intercambio de calor (4), si bien este elemento no resulta imprescindible. La cantidad de combustible a inyectar en el precalcinador debe ser la adecuada para propiciar la combustión completa de todo el combustible atendiendo a la cantidad de oxígeno realmente disponible, asegurando un tiempo de residencia adecuado a alta temperatura a todos los gases de combustión para la destrucción completa de compuestos orgánicos complejos (T>850oC durante más de 2” ).
(4) Torre de intercambio de calor: Existen una gran variedad de diseños. En general se trata de una serie de ciclones en los que se produce el intercambio de calor a contracorriente entre el crudo descendente dosificado convenientemente en los ciclones superiores de la torre de intercambio procedente del silo de crudo (5), con el calor ascendente de los gases de combustión procedente del horno (2) y del precalcinador (3). En este equipo se eleva la temperatura de la materia prima hasta aproximadamente 900oC, produciéndose la deshumidificación y la descarbonatación de la caliza.
(5) Silo de crudo: Para almacenar y termina de homogeneizar la materia prima finamente molida procedente del molino de crudo (7) para su posterior dosificación al sistema a través de la torre de intercambio de calor (4) según el nivel de producción que se fije.
(6) Torre de acondicionamiento de gases: Equipo necesario para bajar la temperatura de gases de salida de la torre de intercambio de calor (4), antes de pasar al filtro (8) en el caso de que el molino de crudo (7) esté parado.
(7) Molino de crudo: Equipo necesario para mezclar, secar y moler los distintos tipos de materias primas (3000) que se unen para conformar un material fino o crudo con la composición necesaria para almacenar en el silo de crudo (5) antes de su alimentación al resto del proceso.
(8) Filtro final de línea del sistema horno - molino de crudo: Filtro para eliminar partículas que acompañan a la corriente de gases de salida procedente de la torre de acondicionamiento de gases (6) o del molino de crudo (7). Las partículas finas captadas, denominadas CKD, se suelen almacenar en el silo de crudo (5), aunque es posible también enviarlas al molino de cemento (13).
(9) Chimenea: Para emitir y difundir los gases de salida del proceso de combustión tras ser eliminadas las partículas por el filtro (8).
(10) Filtro final de línea del proceso de enfriamiento de clínker: Filtro para eliminar partículas que acompañan a la corriente de aire de salida del enfriador de clínker (1) que no se ha empleado como aire secundario en el horno (2) o terciario en el precalcinador (3). Las partículas finas captadas se envían a la nave de clínker (12). El filtro puede incluir un sistema de refrigeración de aire para bajar la temperatura del aire del enfriador de clínker (1) con el objeto de proteger las mangas del filtro. A la salida de este filtro existe un ventilador que tira de los gases para mantener la presión en la cabeza del horno en torno a 1 atm.
(11) Chimenea: Para emitir y difundir los aires excedentes de salida del proceso de enfriamiento de clínker (1) que pasan por el filtro final de línea del proceso de enfriamiento de clínker (10).
(12) Nave de clínker: Almacenamiento del clínker formado en el horno (2) tras ser enfriado en el enfriador de clínker (1), así como el clínker fino recogido en el filtro
( 10).
(13) Molino de cemento: Equipo necesario para moler el clínker acumulado en la nave de clínker (12) con yeso y otros materiales (cenizas volantes, escoria de horno alto, CKD, etc.) para conformar los distintos tipos de cementos (2000) que se producen en la planta.
(14) Silos, ensacadoras y otros sistemas de expedición: Para almacenar en distintos formatos los cementos producidos en el molino de cemento (13) hasta su venta.
A esta configuración básica, en instalaciones con problemas de cloro, se añade el bypass de cloro, consistente en una extracción de gases en los primeros ciclones de la torre de intercambio de calor (sentido gases) (4). Esa línea está compuesta por varios elementos:
(15) Punto de extracción de gases calientes: A la entrada de la torre de intercambio de calor (sentido gases) (4) cerca del horno de clínker (2), zona con una elevada concentración de cloro en estado gaseoso, por lo que es punto ideal para extraer gases con el objetivo de purgar al sistema de la presencia de cloro, elemento en el que se va enriqueciendo el proceso debido a fenómenos de recirculación, y que termina provocando problemas de pegaduras en la torre de intercambio de calor (4). (16) Quenching: Equipo de enfriamiento de los gases muy calientes (900oC) y habitualmente muy ricos en cloro extraídos del proceso en el punto de extracción de gases calientes (15). Para el enfriamiento de estos gases se emplea aire ambiental (4000).
(17) Filtro del bypass de cloro: Filtro para eliminar partículas ricas en cloro que acompañan a la corriente de gases de salida del quenching (16). A la salida de este filtro existe un ventilador que tira de los gases. Las partículas finas captadas denominadas polvo de Bypass (5000) se envían a vertedero, aunque existen otras opciones que se pueden aplicar para su tratamiento e integración en el ecosistema. El quenching (16) y el filtro (17) no son imprescindibles para los procesos de producción de clínker, si bien, debido a la gran cantidad de combustibles derivados de residuos con alto contenido en cloro que se utilizan, con objeto de evitar los problemas de los fenómenos de recirculación de cloro (pegaduras y atranques), es un elemento muy útil que será cada vez más necesario proceder a su instalación ya que es una solución muy efectiva para el control de pegaduras y atranques.
A este sistema de producción de clínker de cemento se le pueden hacer las mejoras que se plantean en este documento para las que se pide su reconocimiento como patente de invención.
Equipos de pirólisis para la producción de Biochar v Biochar Activo v sus subproductos:
A la instalación definida con la presencia del bypass de cloro, se le hacen las siguientes modificaciones:
- Se anula la torre de acondicionamiento de gases (6).
- El molino de crudo se sustituye por dos molinos de crudo (7) de igual capacidad de producción que la alimentación de crudo del horno. Esto genera una corriente estable de gases calientes excedentes a la salida de la torre de intercambio de calor (sentido gases) (4), que se emplea en el proceso de pirólisis.
A esta instalación se le deben realizar las siguientes modificaciones:
(18) Multiciclón: Ciclones de alta velocidad para la separación de partículas de la corriente de gases calientes tanto procedentes del Bypass de cloro, como la procedente de los últimos ciclones del intercambiador de calor (sentido gases) (4) (rendimiento de separación 80 - 90%).
(19) Cámara para la activación del Biochar: Cámara para la volatilización y activación del Biochar producido en el reactor de pirólisis (21). El Biochar entra en contacto directo con los gases calientes procedentes del punto de extracción de gases caliente (15). El Biochar activo (9000 A) sale de la cámara mediante un tornillo sinfín y se enfría antes de su comercialización.
(20) Cámara de combustión e intercambio de calor: Unión entre los gases procedentes de la cámara de activación del Biochar (19) con los gases procedente de los últimos ciclones del intercambiador de calor (sentido gases) (4). Los volátiles producidos en la cámara de activación del Biochar (19) entran en contacto con el O2 de los gases procedente de los últimos ciclones del intercambiador de calor (sentido gases) (4) produciendo una combustión que eleva la temperatura de la mezcla. En caso de que la cantidad de O2 no sea suficiente para conseguir la combustión completa de todos los volátiles se puede introducir aire del exterior (4000). En esta cámara existe un serpentín en el que circulan los volátiles extraídos del 1er y 2o tornillo sinfín del reactor de pirólisis para elevar su temperatura antes de su introducción en el 3er tornillo sinfín.
(21) Reactor de pirólisis: Compuesto por 3 tornillos sinfín accionados con motores de velocidad variable:
- 1er tornillo sinfín: La materia orgánica residual (6000) pretratada que se introduce en este tornillo sinfín, alcanza aproximadamente una temperatura en torno a 130oC gracias a los gases del proceso de clínkerización de cemento que pasan por el exterior del tornillo, con lo que se logra el secado y vaporización del agua que aún contenga (8000). - 2o tornillo sinfín: El material sólido secado en el 1er tornillo sinfín, alcanza una temperatura de aproximadamente 250°C gracias a los gases del proceso de clínkerización de cemento que pasan por el exterior del tornillo, con lo que se logra una primera descomposición de la materia orgánica residual, formándose distintos tipos de gases volátiles combustibles (7000).
- 3er tornillo sinfín: El material sólido secado y parcialmente descompuesto en el 2o tornillo sinfín, alcanza una temperatura de aproximadamente 500oC gracias a los gases del proceso de clínkerización de cemento que pasan por el exterior del tornillo y a los gases volátiles calentados en la cámara de combustión e intercambio de calor (20), con lo que se logra una descomposición importante de la materia orgánica formándose distintos tipos de gases volátiles combustibles (7000) y Biochar (9000 B).
Todo este sistema cuenta con un soplante u otro sistema equivalente para mover los elementos gaseosos formados en el 1er y 2o tornillo sinfín del reactor de pirólisis antes de pasar por la cámara de combustión e intercambio de calor (20) y ser introducidos en el 3er tornillo sinfín donde seguirá volatilizándose la materia orgánica residual. Los gases calientes que salen de la Cámara de combustión e intercambio de calor (20) son empleados para calentar exteriormente los 3 tornillos sinfín que transportan la materia orgánica residual, logrando el secado y la volatilización de dicha materia orgánica y la producción de Biochar. Es importante resaltar que, por el interior del 3er tornillo sinfín, pasan gases calientes producidos en el 1er y 2o tornillo sinfín del reactor de pirólisis calentados en la Cámara de combustión e intercambio de calor (20) lográndose el contacto íntimo entre gases calientes y materia prima.
Los gases calientes a la salida del reactor de pirólisis deben ser enfriados en un sistema de quenching (16) menos exigente que el empleado para los sistemas de Bypass de cloro tradicionales, incluso es posible que puedan ser utilizados para el presecado de la materia orgánica residual. Es posible introducir algún tipo de adsorbente sólido (10000) (caliza húmeda, carbón activo, Biochar activo) previo al sistema de quenching (16) para conseguir la adsorción y depuración de elementos volátiles contaminantes que transporte esta corriente. Los elementos sólidos que arrastra la corriente gaseosa se separan de la misma en un filtro de mangas (17) similar al filtro del bypass de cloro.

Claims (1)

REIVINDICACIONES
1. Sistema para la inclusión de procesos de pirólisis en fábricas integrales de cemento caracterizado por:
- Instalación de dos molinos de crudo (7) cada uno de producción similar a la cantidad de crudo necesaria para proporcionar una fuente adicional de gases calientes para el proceso de pirólisis.
- Eliminación de las partículas del bypass de cloro y de la corriente de gases sobrantes de los últimos ciclones (sentido gas) de la torre de intercambio de calor (4) que no se emplea en los molinos de crudo (7) mediante multiciclones (18) de alta eficiencia. - Conducción de dichas corrientes a un sistema pirolítico para el calentamiento en ausencia de O2 de distintos tipos de materia orgánica residual. El sistema pirolítico cuenta con una Cámara para la activación del Biochar (19), seguido de una Cámara de combustión e intercambio de calor (20) y de un Reactor de pirólisis (21).
2. Sistema para la inclusión de procesos de pirólisis en fábricas integrales de cemento, adaptado a procesos de fabricación de clínker con un solo molino de crudo, según reivindicación 1 caracterizado por:
- Eliminación de las partículas del bypass de cloro y de los gases de los últimos ciclones (sentido gas) de la torre de intercambio de calor (4) que no se emplea en el molino de crudo (7) que se encuentra parado, mediante multiciclones (18) de alta eficiencia.
- Sustituir la torre de acondicionamiento de gases (6) por el sistema pirolítico que cuenta con una Cámara para la activación del Biochar (19), seguido de una Cámara de combustión e intercambio de calor (20) y de un Reactor de pirólisis (21).
En este caso, cuando el molino de crudo (7) está en funcionamiento el sistema de pirólisis no dispone de los gases procedentes de los últimos ciclones (sentido gas) de la torre de intercambio de calor (4) por lo que ha de ajustar su producción al calor disponible y ha de emplear aire exterior para la combustión de los volátiles producidos en la Cámara para la activación del Biochar (19).
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