Horno de cemento

El precalentador de parrilla consta de una cámara que contiene una parrilla móvil de acero de alta temperatura en forma de cadena, unida al extremo frío del horno rotatorio. ^{[ 11 ]} Una mezcla de materia prima en polvo seco se convierte en gránulos duros de 10 a 20  mm de diámetro en una bandeja de nodulización, con la adición de un 10-15 % de agua. Los gránulos se cargan en la parrilla móvil y los gases calientes de combustión de la parte posterior del horno se hacen pasar a través del lecho de gránulos desde abajo. Esto seca y calcina parcialmente la mezcla de materia prima de manera muy eficiente. Luego, los gránulos caen al horno. Se expulsa muy poco material en polvo del horno. Debido a que la mezcla de materia prima se humedece para hacer gránulos, este proceso se denomina "semiseco". El precalentador de parrilla también es aplicable al proceso "semihúmedo", en el que la mezcla cruda se prepara como una suspensión, que primero se deshidrata con un filtro de alta presión, y la "torta de filtro" resultante se extruye en pellets, que se alimentan a la parrilla. En este caso, el contenido de agua de los pellets es del 17-20%. Los precalentadores de parrilla fueron más populares en las décadas de 1950 y 1960, cuando un sistema típico tenía una parrilla de 28 m de largo y 4 m de ancho, y un horno rotatorio de 3,9 x 60 m, produciendo 1050 toneladas por día, utilizando aproximadamente 0,11-0,13 toneladas de combustible de carbón por cada tonelada de clínker producida. Se instalaron sistemas de hasta 3000 toneladas por día.

El componente clave del precalentador de suspensión de gas es el ciclón . Un ciclón es un recipiente cónico por el que se introduce tangencialmente una corriente de gas con partículas de polvo. Esto genera un vórtice en su interior. El gas sale del recipiente a través de un separador de vórtices coaxial. Los sólidos son expulsados ​​hacia el borde exterior del recipiente por acción centrífuga y salen por una válvula situada en el vértice del cono. Los ciclones se utilizaban originalmente para limpiar los gases cargados de polvo que salían de los hornos de proceso en seco. Si, en cambio, se fuerza el paso de toda la materia prima a través del ciclón, se produce un intercambio de calor muy eficiente : el gas se enfría eficazmente, reduciendo así la pérdida de calor a la atmósfera, y la materia prima se calienta eficazmente. La eficiencia de la transferencia de calor aumenta aún más si se conectan varios ciclones en serie.

El número de etapas de ciclones utilizadas en la práctica varía de 1 a 6. Se requiere energía, en forma de potencia del ventilador, para aspirar los gases a través de la cadena de ciclones, y en una cadena de 6 ciclones, el costo de la potencia adicional del ventilador necesaria para un ciclón extra supera la ventaja de eficiencia obtenida. Normalmente se utiliza el gas de escape caliente para secar las materias primas en el molino de crudo , y si las materias primas están húmedas, es deseable el gas caliente de un precalentador menos eficiente. Por esta razón, los precalentadores de suspensión más comunes tienen 4 ciclones. La alimentación caliente que sale de la base de la cadena de precalentadores está típicamente calcinada en un 20%, por lo que el horno tiene menos procesamiento posterior que hacer, y por lo tanto puede lograr una producción específica más alta . Los sistemas típicos de gran tamaño instalados a principios de la década de 1970 contaban con ciclones de 6 m de diámetro, un horno rotatorio de 5 x 75 m, con una capacidad de producción de 2500 toneladas diarias y un consumo de entre 0,11 y 0,12 toneladas de carbón por cada tonelada de clínker producida.

Una desventaja de la eficiencia de los precalentadores de suspensión es su tendencia a obstruirse. Las sales, como el sulfato y el cloruro de sodio y potasio, tienden a evaporarse en la zona de combustión del horno. Se transportan de vuelta en forma de vapor y se condensan cuando se alcanza una temperatura suficientemente baja. Debido a que estas sales recirculan en la mezcla cruda y vuelven a entrar en la zona de combustión, se establece un ciclo de recirculación. Un horno con un 0,1 % de cloruro en la mezcla cruda y el clínker puede tener un 5 % de cloruro en el material a mitad del horno. La condensación suele producirse en el precalentador, y un depósito pegajoso de sales líquidas adhiere la mezcla cruda polvorienta, formando un depósito duro, generalmente en las superficies contra las que incide el flujo de gas. Esto puede obstruir el precalentador hasta el punto de que ya no se puede mantener el flujo de aire en el horno. Entonces, es necesario eliminar manualmente la acumulación. Las instalaciones modernas suelen tener dispositivos automáticos instalados en los puntos vulnerables para eliminar la acumulación periódicamente. Una alternativa es extraer parte de los gases de escape del horno en la entrada, donde las sales aún se encuentran en fase gaseosa, y desechar los sólidos. Este proceso, denominado purga de álcalis, interrumpe el ciclo de recirculación. También puede resultar beneficioso para la calidad del cemento, ya que reduce el contenido de álcalis del clínker. El contenido de álcalis es una propiedad crítica del cemento. De hecho, un cemento con un contenido de álcalis demasiado elevado puede provocar una reacción álcali-sílice (RAS) perjudicial en el hormigón fabricado con áridos que contienen sílice amorfa reactiva . Dentro de los áridos reactivos se forma un gel de sílice sódico higroscópico e hinchable que desarrolla fisuras internas características. Esta reacción química expansiva que se produce en la matriz del hormigón genera una alta tensión de tracción y crea grietas que pueden dañar la estructura. Sin embargo, el gas caliente se desperdicia, por lo que el proceso es ineficiente y aumenta el consumo de combustible del horno.

Los primeros sistemas utilizaban enfriadores rotatorios, que eran cilindros giratorios similares al horno, en los que caía el clínker caliente. ^{[ 13 ]} El aire de combustión era aspirado a través del enfriador a medida que el clínker descendía, cayendo en cascada a través de la corriente de aire. En la década de 1920, los enfriadores satélite se hicieron comunes y se mantuvieron en uso hasta hace poco. Estos consisten en un conjunto (normalmente de 7 a 9) de tubos unidos al tubo del horno. Tienen la ventaja de que están sellados al horno y no requieren un accionamiento independiente. A partir de 1930, se desarrolló el enfriador de parrilla. Este consiste en una parrilla perforada a través de la cual se sopla aire frío, encerrada en una cámara rectangular. Un lecho de clínker de hasta 0,5 m de profundidad se mueve a lo largo de la parrilla. Estos enfriadores tienen dos ventajas principales: (1) enfrían el clínker rápidamente, lo cual es deseable desde el punto de vista de la calidad del clínker; evita que la alita ( C₃ S), termodinámicamente inestable por debajo de 1250 °C, revierte abelita(C₂ S) yCaO(C) durante el enfriamiento lento:

C ₃ S → C ₂ S + C + calor (una reacción exotérmica favorecida por la liberación de calor),   

(Dado que la alita es responsable del desarrollo inicial de la resistencia durante el fraguado y endurecimiento del cemento, es deseable el mayor contenido posible de alita en el clínker).

y, (2) debido a que no giran, el aire caliente puede ser canalizado fuera de ellos para su uso en el secado de combustible o para su uso como aire de combustión en el precalcinador. Esta última ventaja significa que se han convertido en el único tipo utilizado en los sistemas modernos.

Los sistemas de combustible se dividen en dos categorías: ^{[ 14 ]}

• Disparo directo
• Disparo indirecto

En la cocción directa, el combustible se alimenta a un ritmo controlado al molino de combustible, y el producto fino se introduce inmediatamente en el horno. La ventaja de este sistema es que no es necesario almacenar el combustible molido, que es peligroso: se utiliza en cuanto se produce. Por este motivo, era el sistema preferido para los hornos más antiguos. Una desventaja es que el molino de combustible debe funcionar continuamente: si se avería, el horno debe detenerse si no hay un sistema de respaldo disponible.

En la cocción indirecta, el combustible se muele mediante un molino que funciona de forma intermitente, y el producto fino se almacena en un silo de tamaño suficiente para abastecer el horno durante los periodos de parada del molino. El combustible fino se extrae del silo a un ritmo controlado y se inyecta en el horno. Este método es ahora el preferido para los sistemas de precalcinación, ya que tanto el horno como el precalcinador pueden alimentarse con combustible del mismo sistema. Se requieren técnicas especiales para almacenar el combustible fino de forma segura, y los carbones con alto contenido de volátiles se muelen normalmente en una atmósfera inerte (por ejemplo, CO₂ ₎ .

Se debe mover un gran volumen de gases a través del sistema del horno. ^{[ 15 ]} Particularmente en los sistemas de precalentamiento por suspensión, se requiere una alta succión a la salida del sistema para impulsar este proceso. También se utilizan ventiladores para forzar el paso del aire a través del lecho enfriador y para propulsar el combustible hacia el horno. Los ventiladores representan la mayor parte de la energía eléctrica consumida en el sistema, que suele ser de 10 a 15  kW·h por tonelada de clínker.

Los gases de escape de un horno moderno suelen ser de 2 toneladas (o 1500 metros cúbicos en condiciones normales de presión y temperatura ) por tonelada de clínker producida. ^{[ 16 ]} Estos gases contienen una gran cantidad de polvo, generalmente 30  gramos por metro cúbico. Las normativas ambientales específicas de cada país exigen que esta cantidad se reduzca a (generalmente) 0,1  gramos por metro cúbico, por lo que la captura de polvo debe tener una eficiencia de al menos el 99,7 %. Entre los métodos de captura se incluyen los precipitadores electrostáticos y los filtros de mangas. Véase también emisiones de hornos de cemento .

Además de estos combustibles primarios, se han introducido en los hornos diversos materiales de desecho combustibles. Estos combustibles alternativos (CA) incluyen:

• neumáticos usados ​​para vehículos de motor
• lodos de depuradora
• residuos agrícolas
• gas de vertedero
• Combustible derivado de residuos (RDF)
• Residuos químicos y otros residuos peligrosos

Los hornos de cemento son una forma atractiva de deshacerse de materiales peligrosos, debido a:

• las temperaturas en el horno, que son mucho más altas que en otros sistemas de combustión (por ejemplo, incineradores),
• las condiciones alcalinas en el horno, proporcionadas por la mezcla de materia prima con alto contenido de calcio, que puede absorber los productos ácidos de la combustión,
• la capacidad del clínker para absorber metales pesados ​​en su estructura.

Un ejemplo notable es el uso de neumáticos de vehículos usados, cuya eliminación por otros medios resulta muy difícil. Los neumáticos enteros se introducen habitualmente en el horno haciéndolos rodar hasta el extremo superior de un horno de precalentamiento o dejándolos caer a través de una ranura situada a mitad de un horno húmedo largo. En ambos casos, las altas temperaturas de los gases (1000-1200  °C) provocan una combustión casi instantánea, completa y sin humo del neumático. Como alternativa, los neumáticos se cortan en  virutas de 5-10 mm, que se inyectan en la cámara de combustión de un precalcinador. El acero y el zinc de los neumáticos se incorporan químicamente al clínker, sustituyendo parcialmente el hierro que, de otro modo, tendría que utilizarse como materia prima.

Es necesario un alto nivel de control tanto del combustible como de sus productos de combustión para mantener un funcionamiento seguro. ^{[ 19 ]}

Para lograr la máxima eficiencia del horno, los combustibles convencionales de alta calidad son la mejor opción. Sin embargo, la combustión de cualquier combustible, especialmente de materiales de desecho peligrosos, puede generar emisiones tóxicas. ^{[ 20 ]} Por lo tanto, es necesario que los operadores de hornos de cemento supervisen de cerca diversas variables del proceso para garantizar la minimización continua de las emisiones. En Estados Unidos, los hornos de cemento están regulados por la EPA como una importante fuente de contaminación atmosférica y deben cumplir con estrictos requisitos de control de la contaminación del aire. ^{[ 21 ]}

Durante el proceso de combustión del clínker se emite CO₂. _{El CO₂} constituye la mayor parte de estos gases. Las emisiones de CO₂ están relacionadas tanto con la materia prima como con la energía. Las emisiones relacionadas con la materia prima se producen durante _{la descarbonatación} de la piedra caliza ( CaCO₃ → CaO + CO₂ ₎ y representan aproximadamente la mitad de las emisiones totales de CO₂ _. El uso de combustibles con mayor contenido de hidrógeno que el carbón y el uso de combustibles alternativos pueden reducir las emisiones netas de gases de efecto invernadero. ^{[ 19 ]}

Para fabricar 1 tonelada de cemento Portland, se deben moler hasta obtener un polvo fino entre 1,5 y 1,7 toneladas de materia prima, 0,1 toneladas de carbón y 1 tonelada de clínker (además de otros componentes del cemento y agentes sulfatados ) durante la producción. En este proceso, las etapas de procesamiento de la materia prima, preparación del combustible, combustión del clínker y molienda del cemento constituyen las principales fuentes de emisión de partículas . Si bien en la década de 1960 se midieron emisiones de partículas de hasta 3000  mg/m³ ^en la chimenea de las plantas de hornos rotatorios de cemento, los límites legales actuales suelen ser de 30  mg/m³ ^, y se pueden alcanzar niveles mucho más bajos.

El proceso de calcinación del clínker es un proceso a alta temperatura que produce óxidos de nitrógeno (NO _x ). La cantidad formada está directamente relacionada con la temperatura de la llama principal (normalmente entre 1850 y 2000  °C). El monóxido de nitrógeno (NO) representa aproximadamente el 95 % y el dióxido de nitrógeno (NO _₂ ) alrededor del 5 % de este compuesto presente en los gases de escape de las plantas de hornos rotatorios . Dado que la mayor parte del NO se convierte en NO _₂ en la atmósfera, las emisiones se expresan como NO _₂ por metro cúbico de gas de escape.

Sin medidas de reducción, el contenido de NO _x relacionado con el proceso en los gases de escape de las plantas de hornos rotatorios superaría considerablemente, en la mayoría de los casos, las especificaciones de la legislación europea para plantas de incineración de residuos (0,50 g/m³ ^para plantas nuevas y 0,80 g/m³ ^para plantas existentes). Las medidas de reducción tienen como objetivo suavizar y optimizar el funcionamiento de la planta. Técnicamente, se aplican la combustión por etapas y la reducción selectiva no catalítica de NO (SNCR) para cumplir con los límites de emisión.

Se requieren altas temperaturas de proceso para convertir la mezcla de materia prima en clínker de cemento Portland. Las temperaturas de carga del horno en la zona de sinterización de los hornos rotatorios rondan los 1450  °C. Para alcanzarlas,  se necesitan temperaturas de llama de aproximadamente 2000 °C. Por razones de calidad del clínker, el proceso de combustión se lleva a cabo en condiciones oxidantes, en las que predomina la oxidación parcial del nitrógeno molecular en el aire de combustión, lo que da lugar a la formación de monóxido de nitrógeno (NO). Esta reacción también se denomina formación térmica de NO. Sin embargo, a las temperaturas más bajas que prevalecen en un precalcinador, la formación térmica de NO es insignificante: en este caso, el nitrógeno ligado al combustible puede dar lugar a la formación de lo que se conoce como NO relacionado con el combustible. Se utiliza la combustión por etapas para reducir el NO: se añade combustible al calcinador con una cantidad insuficiente de aire de combustión. Esto provoca la formación de CO. El CO reduce entonces el NO a nitrógeno molecular.

2 CO + 2 NO → 2 CO ₂ + N ₂ .

A continuación, se añade aire terciario caliente para oxidar el CO restante.

El azufre se introduce en el proceso de calcinación del clínker a través de las materias primas y los combustibles. Según su origen, las materias primas pueden contener azufre ligado como sulfuro o sulfato. Las elevadas emisiones _de SO₂ de los hornos rotatorios en la industria cementera suelen atribuirse a los sulfuros presentes en la materia prima, que se oxidan para formar SO₂ _a las temperaturas entre 370  °C y 420  °C que prevalecen en el precalentador del horno. La mayoría de los sulfuros presentes en las materias primas son pirita o marcasita . Dadas las concentraciones de sulfuro encontradas, por ejemplo, en los depósitos de materia prima alemanes, las concentraciones de emisión de SO₂ _pueden alcanzar hasta 1,2 g/m³ ^dependiendo de la ubicación del yacimiento. En algunos casos, se utiliza hidróxido de calcio inyectado para reducir las emisiones de _SO₂ .

El azufre que se introduce con los combustibles se convierte completamente en SO₂ _durante la combustión en el horno rotatorio. En el precalentador y el horno, este SO₂ _reacciona para formar sulfatos alcalinos , que quedan ligados al clínker, siempre que se mantengan condiciones oxidantes en el horno.

Las concentraciones de CO y carbono orgánico en los gases de escape son un indicador de la tasa de combustión de los combustibles utilizados en plantas de conversión de energía, como las centrales eléctricas . Por el contrario, la combustión del clínker es un proceso de transformación de materiales que siempre debe realizarse con exceso de aire para garantizar la calidad del clínker. Esto, sumado a los largos tiempos de residencia a altas temperaturas, conlleva la combustión completa del combustible.

Las emisiones de CO y carbono orgánicamente ligado durante el proceso de combustión del clínker se deben a las pequeñas cantidades de componentes orgánicos presentes en las materias primas naturales (restos de organismos y plantas incorporados a la roca a lo largo de la historia geológica). Estos se transforman durante el precalentamiento de la alimentación del horno y se oxidan para formar CO y CO₂ _. En este proceso, también se forman pequeñas cantidades de gases traza orgánicos ( carbono orgánico total ). Por lo tanto, en el caso de la combustión del clínker, el contenido de CO y gases traza orgánicos en el gas limpio puede no estar directamente relacionado con las condiciones de combustión. La cantidad de CO₂ liberado _es de aproximadamente media tonelada por tonelada de clínker. ^{[ 24 ]}

Los hornos rotatorios de la industria cementera y las plantas de incineración convencionales se diferencian principalmente en las condiciones de combustión durante la quema del clínker. Los gases de alimentación y de escape del horno rotatorio se transportan a contracorriente y se mezclan completamente. De este modo, la distribución de la temperatura y el tiempo de residencia en los hornos rotatorios proporcionan condiciones especialmente favorables para la destrucción total de los compuestos orgánicos, introducidos a través de los combustibles o derivados de ellos. Por esta razón, en los gases de escape de los hornos rotatorios de cemento solo se encuentran concentraciones muy bajas de dibenzo-p-dioxinas y dibenzofuranos policlorados (conocidos coloquialmente como " dioxinas y furanos ").

El comportamiento de emisión de PCB es comparable al de las dioxinas y los furanos. Los PCB pueden introducirse en el proceso mediante materias primas y combustibles alternativos. Los sistemas de hornos rotatorios de la industria cementera destruyen estos componentes traza prácticamente por completo.

Según la norma EPA 610, los HAP en los gases de escape de los hornos rotatorios suelen presentar una distribución dominada por el naftaleno , que representa más del 90 % de su masa. Los sistemas de hornos rotatorios de la industria cementera eliminan prácticamente por completo los HAP que se incorporan a través de los combustibles. Las emisiones se generan a partir de los componentes orgánicos de la materia prima.

Por regla general, el benceno , el tolueno , el etilbenceno y el xileno están presentes en los gases de escape de los hornos rotatorios en una proporción característica. El BTEX se forma durante la descomposición térmica de los componentes orgánicos de la materia prima en el precalentador.

Los cloruros son componentes secundarios presentes en las materias primas y los combustibles del proceso de calcinación del clínker. Se liberan al quemarse los combustibles o calentarse la alimentación del horno, y reaccionan principalmente con los álcalis de dicha alimentación para formar cloruros alcalinos. Estos compuestos, inicialmente en estado gaseoso, se condensan sobre la alimentación o el polvo del horno a temperaturas entre 700  °C y 900  °C, para luego reingresar al sistema del horno rotatorio y evaporarse nuevamente. Este ciclo en la zona entre el horno rotatorio y el precalentador puede provocar la formación de recubrimientos. Un bypass en la entrada del horno permite reducir eficazmente los ciclos de cloruros alcalinos y disminuir los problemas de acumulación de recubrimientos. Durante el proceso de calcinación del clínker, los compuestos de cloro inorgánicos gaseosos no se emiten en absoluto o se emiten en cantidades muy pequeñas.

Del flúor presente en los hornos rotatorios, entre el 90 y el 95 % se encuentra ligado al clínker, y el resto se une al polvo en forma de fluoruro de calcio, estable durante el proceso de cocción. Las fracciones de polvo ultrafino que atraviesan el filtro de gas de medición pueden dar la impresión de bajos contenidos de compuestos de flúor gaseosos en los sistemas de hornos rotatorios de la industria cementera.

El comportamiento de emisión de los elementos individuales en el proceso de combustión del clínker está determinado por el escenario de entrada, el comportamiento en la planta y la eficiencia de precipitación del dispositivo de recolección de polvo. Los oligoelementos (por ejemplo, metales pesados ) introducidos en el proceso de combustión a través de las materias primas y los combustibles pueden evaporarse total o parcialmente en las zonas calientes del precalentador y/o del horno rotatorio según su volatilidad, reaccionar con los componentes presentes en la fase gaseosa y condensarse en la alimentación del horno en las secciones más frías del sistema del horno. Según la volatilidad y las condiciones de operación, esto puede resultar en la formación de ciclos que se limitan al horno y al precalentador o que también incluyen la planta combinada de secado y molienda. Los oligoelementos de los combustibles ingresan inicialmente a los gases de combustión, pero se emiten en una cantidad extremadamente pequeña debido a la capacidad de retención del horno y del precalentador.

En las condiciones que prevalecen en el proceso de calcinación del clínker, los elementos no volátiles (por ejemplo , arsénico , vanadio , níquel ) quedan completamente ligados al clínker.

Elementos como el plomo y el cadmio reaccionan preferentemente con el exceso de cloruros y sulfatos en la sección entre el horno rotatorio y el precalentador, formando compuestos volátiles. Debido a la gran superficie disponible, estos compuestos se condensan sobre las partículas de alimentación del horno a temperaturas entre 700  °C y 900  °C. De esta forma, los elementos volátiles acumulados en el sistema horno-precalentador se precipitan nuevamente en el precalentador ciclónico, quedando casi completamente en el clínker.

El talio (en forma de cloruro) se condensa en la zona superior del precalentador ciclónico a temperaturas entre 450  °C y 500  °C. Como consecuencia, se puede formar un ciclo entre el precalentador, el secado de la materia prima y la purificación de los gases de escape.

El mercurio y sus compuestos no precipitan en el horno ni en el precalentador. Se condensan en el conducto de gases de escape debido al enfriamiento del gas y son parcialmente adsorbidos por las partículas de la materia prima. Esta porción precipita en el filtro de gases de escape del horno.

Debido al comportamiento de los oligoelementos durante el proceso de combustión del clínker y a la alta eficiencia de precipitación de los dispositivos de recolección de polvo, las concentraciones de emisión de oligoelementos se mantienen en un nivel general bajo.