ES2914872T3 - Procedimiento y aparato para la fabricación de productos finales calcinados a partir de materiales granulares que contienen carbonato natural como educto - Google Patents

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Abstract

Procedimiento para la fabricación de productos finales calcinados a partir de materiales granulares naturales que contienen carbonato como educto, con las etapas de procedimiento: a) formar una primera zona de reacción (4) en forma de capa fluidizada o de lecho fluidizado con el educto y un medio de fluidización; b) calentar la primera zona de reacción (4) mediante la transferencia indirecta de calor a través de los elementos encastrados de la primera zona de reacción (4) hasta al menos uno o más intervalos de temperatura predeterminados durante un tiempo de permanencia predeterminado para calcinar el educto en la primera zona de reacción (4); c) descargar los gases calientes que contienen CO2 y vapor de agua generados en la primera zona de reacción (4) desde la primera zona de reacción (4); d) descargar el producto final caliente de la primera zona de reacción (4) después del tiempo de permanencia predeterminado; y e) utilizar el calor contenido en los gases calientes y/o el producto final caliente de la primera zona de reacción para precalentar el educto y/o el medio de fluidización, en donde se utiliza el vapor de agua como medio de fluidización.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento y aparato para la fabricación de productos finales calcinados a partir de materiales granulares que contienen carbonato natural como educto
Campo técnico
La presente divulgación se refiere a un procedimiento para fabricar un producto final calcinado a partir de materiales granulares que contienen carbonato natural como educto según la reivindicación 1, y a un aparato para llevar a cabo este procedimiento según la reivindicación 15.
Las sustancias que contienen carbonatos, como la caliza o la dolomita, cambian su composición química y su estructura cristalina al calentarse. A temperaturas de entre 800 y 1200 °C, la piedra caliza (CaCO3) se descompone en dióxido de carbono (CO2) y óxido de calcio (CaO, cal viva), este proceso se denomina calcinación o calcinación. Con la dolomita, el proceso comienza a unos 650 °C. Por cada tonelada de cal pura (CaO), se producen inevitable e irremediablemente unos 785 kg de CO2 , que se desprende del mineral CaCO3. Esta proporción no puede reducirse debido a la composición química del CaCO3.
Además, el CO2 también se produce durante la generación de calor de proceso a través de la combustión de combustibles que contienen carbono. Dependiendo del combustible, el tipo de horno y la eficiencia del mismo, se producen y emiten aproximadamente 420 kg de CO2 por tonelada de cal. En total, se generan y emiten unas 1,2 t de CO2 por tonelada de cal producida.
En los hornos de cal convencionales, la cal se calcina con la ayuda de gases de combustión calientes. Añadiendo aire adicional a la necesidad estequiométrica de aire de la combustión, la temperatura de los gases de combustión se ajusta al nivel necesario para la calidad de la cal requerida. Los gases de escape de los hornos de cal están compuestos principalmente por nitrógeno, dióxido de carbono de la combustión, dióxido de carbono de la calcinación, oxígeno, vapor de agua y polvo. La producción de 6,6 millones de toneladas de cal y dolomita al año (Alemania 2011) conlleva, por tanto, unos 7,9 millones de toneladas de emisiones de CO2 al año. Tendría sentido capturar el dióxido de carbono liberado en el punto de origen y evitar en lo posible el CO2 formado por el proceso de combustión. Separar el dióxido de carbono de esta mezcla de gas y polvo para la utilización de la captura de carbono (CCU) o el almacenamiento de la captura de carbono (CCS) es extremadamente costoso según el estado de la técnica y, por tanto, antieconómico.
La cal viva se utiliza en una amplia gama de aplicaciones, en procesos industriales, en la producción de materiales de construcción y en aplicaciones medioambientales. Dependiendo del uso previsto, las aplicaciones plantean diferentes exigencias a la cal viva. Sus límites se reducen cada vez más gracias a unos controles de proceso cada vez más precisos. Sin embargo, estos requisitos precisos se refieren a un producto cuyas propiedades siempre estarán sujetas a ciertas fluctuaciones debidas a su origen natural, que están conformadas por la historia de la formación de su material original, la piedra caliza. Para producir cal viva de forma selectiva con respecto a sus requisitos, a pesar de la variación natural del material de partida, se requiere por lo tanto un conocimiento preciso de los parámetros que influyen desde el material de partida en las propiedades de la cal viva resultante.
La cal viva se produce por disociación térmica de la piedra caliza (la llamada calcinación) con liberación de dióxido de carbono:
CaCO3 178,4 kJ ^ CaO CO2 (1)
Si la cal viva producida se somete a un nuevo efecto de temperatura una vez finalizada la calcinación, comienzan a producirse procesos de sinterización que pueden modificar las propiedades físicas del producto, como la superficie específica, la densidad aparente, etc., a veces de forma considerable. El alcance de estos cambios puede variar significativamente según la piedra caliza. Estos procesos de sinterización tienen una influencia directa en la reactividad de la cal viva como uno de los parámetros de requisitos más importantes para el control del proceso de las aplicaciones en las que se utiliza la cal viva. La reactividad de la cal viva es un parámetro del producto que se refiere a la tasa de conversión de la cal viva con el agua. La entalpía de la reacción
CaO H2O ^ Ca(OH)2 + 65,19kJ (2)
es constante con AHR = -65,19 kJ/mol de CaO, pero la velocidad a la que se produce la reacción y, por lo tanto, la velocidad de liberación de calor, varía en función de las propiedades físicas y químicas de la cal viva. El método para determinar la reactividad consiste en medir el tiempo t60, en el que la temperatura de una mezcla de cal y agua pasa de 20 a 60 °C en condiciones normalizadas. Según la velocidad de reacción, que depende directamente de la sinterización de la cal, las cales se diferencian en duras, medias y blandas. Sin embargo, no existe una definición exacta para delimitar los grupos. A título orientativo, se puede suponer un tiempo de reacción máximo de dos minutos para una cal blanda calcinada, mientras que un tiempo de reacción de entre dos y ocho minutos caracteriza a una cal media calcinada y las cales duras calcinadas requieren un periodo de tiempo aún mayor hasta que todo el contenido de CaO se haya convertido en Ca(OH)2.
Para la calcinación de cal, se suelen utilizar calizas con una granulometría superior a 25 mm en los hornos de cuba, y a veces superior a 10 mm en los hornos regenerativos especiales de corriente continua (GGR). Normalmente, estas granulometrías corresponden solo al 40-55% de un yacimiento de caliza. Las calizas de más de 2 mm suelen utilizarse en hornos rotatorios, debido a que el proceso tiene la considerable desventaja de que requiere un combustible considerablemente mayor y, por lo tanto, también con las correspondientes emisiones de CO2.
Una gran parte de la piedra caliza extraída de los yacimientos con un tamaño de grano inferior a 20 mm se utiliza como producto no calcinado, por ejemplo, en las plantas de desulfuración de gases de combustión, o si el material no puede utilizarse en otro lugar, se devuelve a la minería a cielo abierto, por ejemplo. Debido a la participación cada vez mayor de las energías renovables en la mezcla eléctrica alemán, a la eliminación progresiva del carbón y a la aplicación de los objetivos de protección del clima, cabe suponer que la venta de piedra caliza fina para las plantas de desulfuración de gases de combustión cesará en consecuencia en un futuro previsible. El uso responsable de los valiosos yacimientos naturales de piedra caliza también debe prever la calcinación económica de estas pequeñas granulometrías en el futuro.
Las medidas en el proceso de combustión de la cal para la eficiencia energética se han seguido desarrollando desde el inicio de la combustión de la cal. En particular, la sofisticada interconexión de los flujos de material caliente y frío en los hornos GGR (hornos regenerativos de contracorriente directa) conduce a consumos de energía específicos que se acercan cada vez más al mínimo termodinámico con el progreso técnico. Debido a la elevada tasa de recuperación de calor de los hornos GGR, por ejemplo, la reducción de la temperatura del gas combustible desempeña un papel secundario. Lo mismo ocurre con el rendimiento; un aumento del rendimiento no reduce significativamente el consumo específico de energía debido a la alta eficiencia de la recuperación de calor. Esto también explica por qué las ventajas de la calcinación con el apoyo del vapor, que se describió ya en 1917 en "Das Kalkbrennen im Schachtofen mit Mischfeuerung", Berthold Block, Springer-Verlag 1917), no han adquirido ninguna relevancia significativa en la tecnología de producción.
Los hornos GGR, conocidos de los documentos DE 3038927 C2 y DE102016103937A1, y utilizados principalmente para la combustión de materias primas que contienen carbonatos, en particular piedra caliza, dolomita o magnesita, funcionan de forma cíclica, por lo que la combustión del material siempre tiene lugar en uno solo de los pozos, mientras que el otro pozo funciona como un pozo regenerativo en el que el material a cocer o la materia prima allí presente se precalienta para el siguiente ciclo de calcinación en este pozo mediante el gas residual suministrado a través del conducto de rebose del pozo que se está cociendo en ese momento. La calcinación del material por cocer en el pozo de calcinación tiene lugar en un flujo de cocorriente, en el sentido de que el material por cocer, que es transportado por gravedad de arriba a abajo a través del pozo de calcinación, es atravesado con gas combustible, que es generado por quemadores dispuestos en el extremo superior de los pozos. Por el contrario, el gas combustible fluye a través del eje no alimentado o alimentado regenerativamente en contracorriente, con el gas de combustión suministrado a través del conducto de rebose, que a menudo se encuentra entre el centro vertical y el tercio inferior de los ejes, siendo descargado en el extremo superior del eje alimentado regenerativamente. Los hornos GGR convencionales son ventajosos para la producción de cal viva con alta reactividad, la llamada cal viva blanda, debido al tiempo de permanencia relativamente largo del material en la zona de combustión en combinación con las temperaturas de combustión relativamente bajas, normalmente entre 800 °C y 1.000 °C. Sin embargo, no son adecuados para la producción de cal viva con baja reactividad, la llamada cal viva dura, ni tampoco para la sinterización requerida para la producción de cal viva dura, para la que son necesarias temperaturas de calcinación muy superiores a 1000 °C (por ejemplo, aproximadamente 1700 °C). Como consecuencia del tiempo de permanencia relativamente largo en la zona de combustión, típico de los hornos GGR, el material se congestiona en forma de grumos, lo que puede provocar, entre otras cosas, la obstrucción del horno. Además, en los hornos GGR convencionales, en la sección inicial de la zona de enfriamiento del pozo de calcinación situada por debajo del canal de rebose, se produce una recarbonización parcial del material por cocer como consecuencia del flujo relativamente intenso por medio de los gases de combustión procedentes de la zona de calcinación, que se desvían en esta zona del pozo de calcinación en dirección al canal de rebose. Para calcinar una tonelada de cal en el horno GGR equilibrado se necesitan unos 3645 MJ/t. Normalmente se utiliza gas natural como combustible; también se utiliza lignito pulverizado, con emisiones de CO2 desventajosamente mayores. Además de las necesidades de combustible, el funcionamiento del horno requiere una cantidad de electricidad de unos 80 MJ/t de cal viva. (Fuente: http://www.probas.umweltbundesamt.de/php/prozessdetails.php?id=%7B86C6457F-ABF7-4F8C-803E794F6EBCB973%7D; (3.2.2016)
Para poder competir energéticamente con un procedimiento de lecho fluido o fluidizado (véase la solicitud FN0701PDE presentada el mismo día) frente a procesos establecidos como el horno GGR, además de un concepto técnico convincente y ecológicamente sostenible, se requieren también procesos y dispositivos que aumenten la eficacia energética hasta el punto de que el consumo específico de energía sea competitivo con el de los hornos GGR.
A partir de los documentos DE1767628A, DE69029037T2 y DE2641292C2, se conocen generalmente los procedimientos para llevar a cabo procesos endotérmicos con educto granular en un lecho fluidizado. El documento EP0501542B1 es un proceso para tostar calores de oro refractarios mediante un lecho fluidizado. La desventaja de estos procesos conocidos es que los productos de combustión entran en contacto con los eductos y productos debido al suministro de calor por combustión directa en el lecho fluidizado.
En el documento KR 20050113529 A se describe un procedimiento y un aparato para la fabricación de productos finales calcinados a partir de materiales naturales granulares que contienen carbonatos, en el que el aporte de energía se reduce mediante la recuperación de calor de los gases producidos. Sin embargo, la energía necesaria se suministra mediante la combustión directa en el lecho fluidizado del calcinador, por lo que los productos finales calcinados están contaminados por los residuos de la combustión.
A partir del documento KR 2005 0113529 A, el objetivo de la invención es dar a conocer un procedimiento para la fabricación de un producto final calcinado, como la cal y el cemento, con el menor número posible de impurezas a partir de sustancias granulares naturales que contienen carbonato como educto, así como un aparato para llevar a cabo este procedimiento.
Esta tarea se resuelve con las características de las reivindicaciones 1 y 15, respectivamente.
El acoplamiento de una fluidización asistida por vapor para la calcinación de sustancias que contienen carbonatos con una unidad generadora de vapor integrada en el proceso de recuperación de calor permite calcinar la cal de forma muy eficiente desde el punto de vista energético. El agua en el medio de fluidización reduce la presión parcial de CO2 en una primera zona de reacción, por lo que la calcinación comienza ya a temperaturas más bajas. Esto, a su vez, tiene la ventaja de que hay que utilizar menos energía para la calcinación, ya que los eductos o productos tienen que calentarse a una temperatura de reacción más baja. Esto reduce el consumo de energía y aumenta la eficacia del proceso. Cuanto mayor sea la proporción de vapor de agua en el medio de fluidización, menor será la presión parcial de CO2 y más rápida será la disociación térmica. Si se utilizara CO2 como medio de fluidización, no sería necesaria una compleja separación de gases, pero el esfuerzo para la recuperación de calor sería considerable. La transferencia de calor indirecta o el calentamiento de la zona de reacción por medio de elementos encastrados en la zona de reacción evita el contacto directo entre el combustible, los gases de escape y el producto -sólido o gaseoso-, de modo que el producto no se contamina. Esto es diferente en los procesos convencionales de combustión de cal, en los que, por un lado, los gases de combustión fluyen a través del producto y, por tanto, tienen contacto con el mismo, y, por otro lado, la combustión dura tiene unos requisitos de especificación de combustible muy estrictos. La ventaja de la presente invención es que se puede utilizar una variedad de combustibles para producir las calidades de cal deseadas. Además, en la invención no hay contacto entre el gas residual o el combustible y el educto o el producto, por lo que el combustible también puede contener lodos de depuradora, por ejemplo.
Al utilizar el vapor de agua como medio de fluidización, las corrientes de productos calientes y las corrientes de gases residuales que contienen vapor de agua pueden transferir su calor al circuito de agua de proceso y utilizarse para la calefacción o la generación de vapor. Al utilizar el medio de fluidización generado de esta manera, la energía obtenida mediante la recuperación de calor se devuelve a la zona de reacción. Un criterio decisivo para el éxito económico es la eficiencia térmica del proceso. Los procesos de reactores de corriente continua a contracorriente o los procesos de hornos de cuba son procesos térmicamente muy eficientes que se acercan a la eficiencia máxima teórica debido a su diseño o al control del proceso. La eficacia del proceso de lecho fluidizado debe apoyarse en la recuperación de calor para mejorar la eficiencia.
La condensación según la reivindicación 2 representa un proceso eficiente y sencillo para la captura de CO2 y la recuperación de calor. El vapor de agua y el CO2 de la piedra caliza salen de la primera zona de reacción como una mezcla. Si se utilizara el aire como medio de fluidización, el esfuerzo de ingeniería del proceso sería inmenso para capturar el CO2 del aire. El vapor de agua puede separarse simplemente por condensación. Al mismo tiempo, la condensación es un método muy eficaz para recuperar el calor del proceso. El objetivo del proceso de obtener también CO2 concentrado se simplifica enormemente desde el punto de vista tecnológico y se hace económicamente atractivo con este enfoque. El CO2 altamente concentrado puede utilizarse como producto. Si se utilizaran otros gases, como el aire o los gases de combustión, para la fluidización, el CO2 tendría que separarse de forma compleja, es decir, con un alto consumo de energía, como por ejemplo mediante la adsorción por oscilación de presión, la depuración química o física, etc. La presente invención no requiere este proceso. En la presente invención, esta concentración de CO2 no es necesaria.
De acuerdo con la realización ventajosa según la reivindicación 3, el agua caliente condensada se utiliza de nuevo para la fluidización. Por un lado, esto elimina la necesidad de calentar el agua dulce hasta la temperatura del condensado y, por otro, reduce la necesidad de agua dulce del proceso, lo que tiene un efecto positivo en el equilibrio ecológico y en la eficiencia económica.
Los intervalos de temperatura para las zonas de reacción mencionados en las reivindicaciones 4 y 6 han demostrado ser ventajosos.
De acuerdo con la realización ventajosa según la reivindicación 6, pueden utilizarse combustibles sólidos, gaseosos, líquidos y/o electricidad para la generación de calor de proceso.
La energía de control en la red eléctrica pública también se denomina energía de control y actúa como reserva para compensar las fluctuaciones de la red eléctrica, o más exactamente de la frecuencia de la red eléctrica. Cuando se utiliza la energía de compensación, la electricidad puede retirarse de la red y también introducirse en ella. El aumento de la electricidad inyectada para compensar una frecuencia de red demasiado baja se denomina energía de compensación positiva, y la regulación de la inyección para reducir la frecuencia de red, energía de compensación negativa. Los participantes en el mercado de energía de equilibrio deben mantener la energía de equilibrio acordada. La remuneración se paga por la disposición y, en el caso del uso de la energía de control, también por el uso real. Los procesos industriales que pueden cumplir los criterios de participación en el mercado de energía de equilibrio tienen una ventaja económica. Debido al uso de la electricidad para la generación de calor de proceso y a la posibilidad de utilizar combustibles adicionalmente o exclusivamente para la generación de calor de proceso, el proceso aquí descrito es adecuado para participar en el mercado de energía de equilibrio.
La transferencia de calor indirecta mediante tubos de calor según la reivindicación 7 evita el contacto entre el combustible, los gases de escape y el producto -sólido o gaseoso-, de modo que el producto no se contamina. La transferencia de calor de los tubos de calor es mayor que la de los intercambiadores de calor de gases de combustión y, por lo tanto, permite unas dimensiones compactas del reactor y unos costes de inversión menores en este sentido.
Al separar la calcinación y la sinterización según la reivindicación 5 y 10, respectivamente, es posible un ajuste exacto de las condiciones de calcinación y de sinterización. Mientras que los hornos GGR tienen dificultades para producir una calcinación dura debido al proceso, esto es posible en la presente invención. Mientras que en el primer recipiente del reactor -primera zona de reacción- las condiciones del proceso se ajustan a una disociación térmica rápida, las condiciones del proceso en el segundo recipiente del reactor, la cámara de sinterización -segunda zona de reacción-, se ajustan al refinamiento del producto a una calcinación media o dura, es decir, al valor t60. Para el primer recipiente del reactor, esto significa que la entrada de calor en el educto debe ser alta y la presión parcial de dióxido de carbono debe ser baja. En la cámara de sinterización, el producto debe calentarse primero hasta la temperatura de sinterización y, en función de la exigencia del valor t60, permanecer a esta temperatura durante un tiempo correspondientemente largo. La fluidización no es absolutamente necesaria para ello. El precalentamiento, la calcinación y la recuperación de calor no tienen por qué tener lugar en tres reactores separados, sino que también pueden tener lugar conectados uno tras otro dentro del primer recipiente del reactor en las correspondientes zonas de reacción sucesivas.
De acuerdo con las formas de realización preferidas según las reivindicaciones 8 y 9, los productos finales calientes y los gases calientes producidos en la segunda zona de reacción se descargan y el calor contenido en ellos se utiliza para el precalentamiento según el paso de procedimiento e) en la reivindicación 1.
En la producción convencional de cal o dolomita, se suele utilizar un solo tipo de horno para cada clase de producto (calcinado blando, medio o duro). En la presente invención, todos los tipos pueden ser producidos con una unidad de acuerdo a los requerimientos del cliente y los cambios de producto (tipos) son significativamente menores que con los hornos convencionales (>10h) debido a los cortos tiempos de producción de unos pocos minutos a horas. Por lo tanto, el cambio de producto es posible en unas pocas horas, según la reivindicación 10.
Mediante el uso de eductos aglomerados según la reivindicación 11, se puede producir cemento y cal hidráulica por el proceso según la invención. La aglomeración es un término colectivo para los procesos de ampliación de los granos mediante su combinación. La aglomeración se utiliza principalmente con eductos de grano fino o en polvo para mejorar la fluidez y, por lo tanto, la trabajabilidad. Los polvos de grano muy fino suelen tener una densidad aparente extremadamente baja, son fáciles de agitar, tienden a adherirse a las superficies, etc. Las partículas de polvo aglomeradas son mucho más manejables y fáciles de procesar. La presente invención aprovecha el hecho de que la composición química de los aglomerados puede ajustarse con gran precisión mezclando los materiales de partida. Gracias a la mezcla predefinida y a las superficies y puntos de contacto entre los distintos componentes de la mezcla, que se producen o se fuerzan mediante la aglomeración, se hace posible la formación de minerales sin que la mezcla tenga que fundirse, como ocurre en la producción de cemento en hornos rotatorios. Ventajosamente, al utilizar las materias primas según la reivindicación 11, se evita la fusión de la mezcla que requiere mucha energía y, por lo tanto, la formación de minerales de bajo consumo. Preferentemente, la aglomeración se realiza por peletización o briqueteado, según la reivindicación 12.
De acuerdo con la reivindicación 13, es ventajoso utilizar eductos con contenidos de agua de hasta 20% en peso para los aglomerados con el fin de minimizar el desconchado del aglomerado causado por la evaporación del agua a temperaturas superiores a 100 °C.
Debido a la mezcla forzada y a las superficies de contacto o puntos de contacto dentro de un aglomerado, la fusión del aglomerado para la formación de minerales no es absolutamente necesaria cuando se utilizan materias primas de acuerdo con la reivindicación 11, pero no puede evitarse en principio a temperaturas cercanas al punto de fusión de las materias primas individuales. Por lo tanto, es ventajoso mantener la proporción de la masa fundida a menos del 20 % en peso para evitar la aglomeración de varios aglomerados fundidos, pero en particular por razones de eficiencia energética, de acuerdo con la reivindicación 14.
El hecho de que en el dispositivo de acuerdo con la reivindicación 15 el primer recipiente del reactor con la primera zona de reacción y el dispositivo de generación de calor de proceso estén separados espacial y materialmente entre sí significa que los parámetros del proceso pueden ajustarse en cualquier momento durante la combustión de forma optimizada. Este no es el caso de los procesos de combustión convencionales; especialmente con la combustión dura. Los óxidos de nitrógeno (NOx) y los hidrocarburos volátiles producidos en el proceso de combustión en los procesos de combustión convencionales también se reducen gracias a la combustión separada. Los óxidos de nitrógeno (NOx) y los hidrocarburos volátiles producidos en el proceso de combustión durante los procesos normales se evitan incluso por completo cuando se utiliza la electricidad para generar el calor del proceso. Si la electricidad sustituye al combustible, no se emiten gases de escape por esta cantidad de energía en la planta. Si la electricidad se basa en energías renovables, la huella de CO2 disminuye en consecuencia, es decir, la parte del combustible sustituido se reduce a cero.
Ventajas de la fluidización del vapor de agua:
• La disminución de la presión parcial de dióxido de carbono en el reactor de calcinación conduce a una calcinación más rápida con una disminución simultánea de la temperatura de calcinación, reduciendo así el aporte de energía y aumentando al mismo tiempo el rendimiento.
• Se pueden alcanzar altos grados de calcinación.
• El vapor de agua, como medio de fluidización, puede volver a introducirse en el proceso por condensación.
• La separación del medio de fluidización y del CO2 de la calcinación por condensación es técnicamente simple de implementar y eficiente. De este modo, es posible alcanzar grados de pureza muy elevados para el CO2 , que a su vez puede utilizarse como producto. La presente invención consigue así que este proceso intensivo en CO2 sea neutro en CO2.
Durante la puesta en marcha o el calentamiento y la parada o el enfriamiento del educto o del producto, se produce la condensación cuando se utiliza el vapor como medio de fluidización. El condensado y el material ya calcinado reaccionan para formar el producto no deseado, la cal hidratada. Para la puesta en marcha y el cierre del proceso, puede ser ventajoso utilizar CO2 y/o aire en lugar de vapor.
Otros detalles, características y ventajas de la invención se desprenden de la siguiente descripción de las formas de realización preferidas.
Breve descripción de las figuras
Fig. 1 muestra una representación esquemática de una realización de ejemplo de la invención.
La realización de ejemplo según la Fig. 1 comprende un calcinador 2 con un primer recipiente reactor 3 para producir cal viva a partir de piedra caliza. En el primer recipiente del reactor 3, se forma una primera zona de reacción 4 en forma de lecho fluidizado. Un dispositivo generador de calor de proceso 6 proporciona el calor necesario para calentar la zona de reacción 4 y para la calcinación. El calor del dispositivo de generación de calor de proceso 6 se acopla al primer recipiente del reactor 3 mediante un dispositivo de transferencia de calor 7. A través de un conducto de alimentación de eductos 8, se alimenta piedra caliza de grano fino al primer recipiente del reactor 3 con la primera zona de reacción 4 en forma de lecho fluidizado. A través de una línea de alimentación del medio de fluidización 10, se suministra CO2 y/o aire como medio de fluidización para la formación del lecho fluidizado 4. El agua o el vapor se suministra a un generador de vapor 14 a través de una línea de suministro 12. El vapor generado en el generador de vapor 14 se alimenta a través de una línea de vapor 16 al primer recipiente del reactor 3 con el lecho fluidizado 4. El combustible para generar el calor de proceso necesario para el primer recipiente del reactor 3 se suministra al dispositivo de generación de calor de proceso 6 a través de una primera línea de suministro de combustible 18. El aire, el O2 y/o el CO2 se suministran al dispositivo generador de calor de proceso 6 a través de una primera línea de suministro de gas 20.
El primer recipiente del reactor 3 está conectado a través de un conducto de producto intermedio 21 a un segundo recipiente del reactor en forma de cámara de sinterización 22 con una segunda zona de reacción 23. En la cámara de sinterización 22, el educto calcinado en el primer recipiente del reactor 3 se somete a un proceso de sinterización. El calor necesario para ello lo proporciona una cámara de combustión 24, a la que se suministra gas que contiene O2 a través de una segunda línea de gas 26 y combustible a través de una segunda línea de suministro de combustible 28. El producto final caliente se retira de la cámara de sinterización 22 a través de una salida de producto 30 y se enfría en un primer dispositivo de recuperación de calor 32. El producto final enfriado se descarga a través de la salida del producto 30. Los gases calientes de la cámara de sinterización 22 se extraen de la misma a través de un primer conducto de descarga de gases 34 y pasan por un segundo dispositivo de recuperación de calor 36. Los gases de escape enfriados se descargan a la atmósfera a través de un primer conducto de escape 37. Los gases calientes del primer recipiente del reactor 3 se extraen a través de un segundo conducto de descarga de gas 38 y se enfrían en un tercer dispositivo de recuperación de calor 40 en forma de condensador, mediante el cual se separa el gas CO2. El condensado producido se descarga del condensador 40 a través de un drenaje de condensado 42. El CO2 separado se descarga del condensador 40 a través de un tubo de descarga de CO244. Los gases de escape del dispositivo de generación de calor de proceso 6 se alimentan a través de un tercer conducto de descarga de gas 46 a un cuarto dispositivo de recuperación de calor 48 y se enfrían. Los gases de escape enfriados se descargan a través de un segundo tubo de escape 50.
El calor recuperado en los dispositivos de recuperación de calor 32, 36, 40, 48 se utiliza para precalentar los eductos, el medio de fluidización, los combustibles y los gases que contienen O2. Para ello, el conducto de alimentación del educto 8, el conducto de alimentación del medio de fluidización 10, el conducto de alimentación de agua/vapor 12, los conductos de alimentación de combustible 18, 28, los conductos de alimentación de gas 20, 26 pasan cada uno por los precalentadores 52 y el generador de vapor 14, respectivamente, en los que se acopla el calor recuperado en los recuperadores de calor 32, 36, 40, 48 (para no sobrecargar el dibujo, esto no se muestra en el dibujo). A continuación de los precalentadores 52 y del generador de vapor 14 se conectan dispositivos eléctricos de calentamiento 54 para poder calentar adicionalmente los eductos, el medio de fluidización, el vapor, el combustible y los gases que contienen O2. El dispositivo de generación de calor de proceso 6 y la cámara de sinterización 22 también pueden calentarse directamente mediante dispositivos de calentamiento eléctrico 54. En el conducto de alimentación del medio de fluidización 10 o en el conducto de vapor 16, directamente aguas arriba de la primera vasija del reactor 3, está dispuesto un primer dispositivo de medición de la presión 56. Un primer dispositivo de medición de la temperatura 58 controla la temperatura en la primera zona de reacción 4 del primer recipiente del reactor 3.
En primer lugar, la piedra caliza granulada en el lecho fluidizado 4 del primer recipiente del reactor 3 se calienta al menos hasta la temperatura a la que comienza la calcinación. El calor necesario para ello se acopla directa o indirectamente al lecho fluidizado 4 desde el dispositivo de generación de calor de proceso 6 mediante el dispositivo de transferencia de calor 7. Este suministro de calor produce gradualmente el producto cal viva a partir de la piedra caliza. El CO2 producido durante la calcinación, la cal viva en polvo y otros residuos, así como el gas de fluidización, se descargan del primer recipiente del reactor 3 a través del segundo conducto de descarga de gas 38. El producto, cal viva (CaO), se transfiere a través del conducto de producto intermedio 21, bien en forma de rebosadero o de descarga, desde el primer recipiente del reactor a la cámara de sinterización 22.
Si se utiliza combustible carbonoso en el dispositivo generador de calor de proceso 6 y se utiliza O2 , posiblemente diluido con CO2 , como oxidante, entonces el gas de escape del dispositivo generador de calor de proceso 6 está formado predominantemente por CO2. En este caso, el gas residual que consiste esencialmente en CO2 en el segundo conducto de gas residual 50 puede utilizarse además como producto de CO2 junto con el gas de CO2 en el conducto de descarga de CO244. Esto se indica mediante una primera línea de conexión 60 entre la segunda línea de gases de escape 50 y el conducto de descarga de CO244. El CO2 del tercer conducto de gas 46 también puede utilizarse como parte del medio de fluidización del lecho fluidizado 4 (no mostrado).
Siempre que el gas de escape de la cámara de combustión 24 sea CO2 altamente concentrado, también puede ser alimentado como producto a la corriente de producto de CO244 a través de una segunda línea de conexión 62. El modo de funcionamiento del calcinador de lecho fluidizado 2 puede ser básicamente discontinuo, continuo o semicontinuo. El precalentamiento, la calcinación y la recuperación de calor no tienen que ser necesariamente tres reactores separados, sino que también pueden estar situados uno tras otro conectados dentro de un reactor como zonas correspondientes.
Modificando el tiempo de permanencia y/o la temperatura en el calcinador 2, se puede influir específicamente en el producto final y, por tanto, se puede producir una calcinación blanda, media o dura. La temperatura en el calcinador 2 puede aumentarse añadiendo O2 en la cámara de combustión del dispositivo de generación de calor de proceso 6 o calentando eléctricamente el gas de fluidización en el lecho fluidizado 4 y producir así también una calcinación media y dura.
Dependiendo de la composición química de los eductos y de la calidad deseada (valor t60 o grado de sinterización), pueden ser necesarios tiempos de permanencia más altos o más largos que los que se pueden facilitar en la primera zona de reacción 4. Los tiempos de permanencia y las temperaturas en el recipiente de sinterización 22 o en la segunda zona de reacción 23 se fijan en función de estos requisitos.
El dispositivo según la Fig. 1 también puede utilizarse para producir cemento y eductos de cal hidráulica si se utilizan como eductos óxido de silicio, óxido de aluminio, óxido de hierro(III) y carbonato de calcio y/o óxido de calcio. En el caso de eductos aglomerados en forma de pellets, estos tienen un diámetro entre menos de 10,0 cm, y en el caso de eductos aglomerados en forma de briquetas, estas tienen una longitud de borde de menos de 30,0 cm.
Lista de símbolos de referencia
2 calcinador
3 primer recipiente del reactor
4 primera zona de reacción, lecho fluidizado
6 dispositivo generador de calor de proceso
7 dispositivo de transferencia de calor
8 línea de alimentación de eductos
10 línea de alimentación del medio de fluidización
12 línea de alimentación de agua/vapor de agua
14 generador de vapor
16 línea de vapor
18 primera línea de alimentación de combustible
20 primera línea de alimentación de gas
21 línea de productos intermedios
22 segundo recipiente del reactor, cámara de sinterización
23 segunda zona de reacción
24 cámara de combustión
26 segunda línea de alimentación de gas
28 segunda línea de alimentación de combustible
30 conducto de descarga del producto
32 primer dispositivo de recuperación de calor
34 primer conducto de descarga de gas
36 segundo dispositivo de recuperación de calor
37 primer tubo de gas de escape
38 segundo conducto de descarga de gas
40 tercera unidad de recuperación de calor, condensador
42 conducto de descarga de condensado
44 conducto de descarga de CO2
46 tercer conducto de descarga de gas
48 cuarto dispositivo de recuperación de calor
50 segundo tubo de gas de escape
52 precalentador
54 dispositivos de calefacción eléctrica
56 primer dispositivo de medición de la presión
58 primer dispositivo de medición de la temperatura
60 primera línea de conexión entre 50 y 44
62 segunda línea de conexión entre 37 y 44

Claims (20)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para la fabricación de productos finales calcinados a partir de materiales granulares naturales que contienen carbonato como educto, con las etapas de procedimiento:
a) formar una primera zona de reacción (4) en forma de capa fluidizada o de lecho fluidizado con el educto y un medio de fluidización;
b) calentar la primera zona de reacción (4) mediante la transferencia indirecta de calor a través de los elementos encastrados de la primera zona de reacción (4) hasta al menos uno o más intervalos de temperatura predeterminados durante un tiempo de permanencia predeterminado para calcinar el educto en la primera zona de reacción (4);
c) descargar los gases calientes que contienen CO2 y vapor de agua generados en la primera zona de reacción (4) desde la primera zona de reacción (4);
d) descargar el producto final caliente de la primera zona de reacción (4) después del tiempo de permanencia predeterminado; y
e) utilizar el calor contenido en los gases calientes y/o el producto final caliente de la primera zona de reacción para precalentar el educto y/o el medio de fluidización,
en donde se utiliza el vapor de agua como medio de fluidización.
2. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, en el caso del gas caliente de la primera zona de reacción (4), la recuperación de calor tiene lugar por condensación del vapor de agua contenido en el gas caliente, y porque la condensación da lugar a una separación de sustancias de CO2.
3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el agua obtenida en la condensación se reutiliza para producir vapor de agua para el medio de fluidización.
4. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en la primera zona de reacción (4) pueden establecerse uno o más intervalos de temperatura predeterminados entre 380 °C y 1200 °C.
5. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se prevé una segunda zona de reacción (23) en la que se pueden fijar mediante elementos encastrados uno o varios intervalos de temperatura predeterminados comprendidos entre 400 °C y 1600 °C, en particular para la sinterización.
6. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 o 5 anteriores, caracterizado porque el calentamiento de las zonas de reacción (4, 23) se realiza mediante la calcinación de combustibles y/o mediante el uso de energía eléctrica, en particular a partir de fuentes de energía renovables.
7. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6 anteriores, caracterizado porque los elementos encastrados de las zonas de reacción (4, 23) son tubos de calor.
8. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque las etapas del procedimiento c) y d) se realizan también para la segunda zona de reacción (23).
9. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, caracterizado en que la etapa del procedimiento e) también se lleva a cabo para la segunda zona de reacción (23).
10. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las temperaturas y los tiempos de permanencia predeterminados producen cal o dolomita como productos finales calcinados de forma diferente, tales como calcinación suave, calcinación dura y calcinación media.
11. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el educto consiste en materias primas aglomeradas que contienen dióxido de silicio (SiO2), óxido de aluminio, un compuesto de hierro, en particular óxido de hierro (III), y carbonato de calcio y/u óxido de calcio.
12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque el educto está peletizado o briqueteado.
13. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 12, caracterizado porque el educto presenta un contenido de agua de hasta el 20 % en peso.
14. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado porque la proporción de masa fundida en el educto en las zonas de reacción es inferior al 20 % en peso.
15. Dispositivo para llevar a cabo el procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, con un calcinador (2) que comprende un primer recipiente reactor (3), en el que se forma una primera zona de reacción (4) en forma de capa fluidizada o lecho fluidizado, para la calcinación de los eductos,
una línea de alimentación de educto (8) en el primer recipiente del reactor (3),
una línea de vapor (16) en el primer recipiente del reactor (3) para suministrar vapor de agua como medio de fluidización,
un dispositivo de generación de calor de proceso (6) para proporcionar el calor de proceso necesario para la calcinación de los eductos,
un dispositivo de transferencia de calor (7) con elementos encastrados en la zona de reacción (4) para transferir el calor de proceso desde el dispositivo generador de calor de proceso (6) al primer recipiente del reactor (3),
un conducto de descarga de producto (21; 30) para descargar el producto final del calcinador (2), y
un dispositivo de recuperación de calor (32, 36, 40, 48) para utilizar el calor contenido en los gases de escape de la combustión caliente, los gases calientes del calcinador (2) y/o el producto intermedio y final caliente del calcinador (2) para precalentar el educto y/o el medio de fluidización.
16. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque el dispositivo generador de calor de proceso (6) es un dispositivo de combustión al que se puede suministrar un combustible mediante una alimentación de combustible (18) y un oxidante mediante una primera línea de alimentación de gas (20), y
porque el combustible y/o el oxidante pueden ser precalentados por medio del dispositivo de recuperación de calor (32, 36, 40, 48).
17. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 15 o 16, caracterizado porque el calcinador (2) comprende un segundo recipiente del reactor (22) en el que se forma una segunda zona de reacción (23) para el tratamiento térmico posterior, en particular la sinterización, del producto procedente del primer recipiente del reactor (3),
porque el primer recipiente del reactor (3) está conectado al segundo recipiente del reactor (22) a través de una línea de producto intermedio (21), y
porque se proporciona un conducto de descarga de producto (30) para descargar el producto final del segundo recipiente del reactor (22).
18. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, caracterizado porque las dos zonas de reacción (4, 23) están dispuestas en un recipiente del reactor común.
19. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 15 a 18, caracterizado porque el dispositivo de transferencia de calor (7) comprende tubos de calor para acoplar el calor del dispositivo generador de calor de proceso (6) al primer recipiente del reactor (3) o al recipiente del reactor común.
20. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 15 a 19, caracterizado porque el dispositivo de recuperación de calor (32, 36, 40, 48) comprende un condensador (40) para condensar el vapor de agua contenido en el gas caliente del primer recipiente del reactor (3) y separar la sustancias del CO2 de los gases calientes.
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