Leccion19.CEMENTOS.Precalcinacion.Fundamentos

LECCION 19.- CEMENTOS / PRECALCINACIÓN.
1.- Introducción.
Observando el diagrama Q-T, de la figura 1.1, de la cocción del crudo se ve que existe una considerable
diferencia en el consumo de calor entre las diferentes etapas del proceso de fabricación del clinker, y que el
máximo consumo de calor tiene lugar durante el proceso de calcinación del crudo, que tiene lugar a ≅ 900 ºC
kJ
, lo que representa aproximadamente el 60%. Cuando aumenta la temperatura
consumiendo 2000
kg ..c l i nker
de los gases y del material sólido, las propiedades de este último cambian, sobre todo cuando aparece la fase
líquida.
Figura 1.1.- Diagrama Q – T de la cocción del crudo.
Como la transferencia de calor tiene lugar de forma más eficaz cuando el crudo está en suspensión en los
gases, se deduce que el proceso de precalentamiento y calcinación debería de realizarse en instalaciones
trabajando en estado fluidificado y no en el horno donde el material forma una capa en la parte inferior del
tubo, con reducida área superficial de intercambio. De ello resulta un considerable aumento en la velocidad
de realización de dichos procesos, y en consecuencia la posibilidad de reducir el tamaño (Volumen) de la
instalación en la cual han de realizarse. La duración del proceso de calcinación en el horno tiene una
duración entre 15-30 minutos y ocupa aproximadamente, la mitad del horno, mientras que en el
precalcinador en lecho fluidificado la duración es de solamente 2 segundos
Sin embargo, después de la aparición de la fase líquida, con la consiguiente nodulización, el proceso de
calentamiento (Cocción) no puede realizarse en lecho fluidificado debido a la adhesión del material a las
paredes del reactor, lo que produciría su taponamiento. Por consiguiente, para el tratamiento del material en
el intervalo de temperatura entre 1100-1450 ºC, el horno rotatorio es la mejor solución.
El horno rotatorio sólo sirve como intercambiador eficiente de calor en la zona de clinkerización (Zona de
alta temperatura), donde la transmisión de calor tiene lugar por radiación, proporcionalmente a T4 según la
ley de Stefan-Boltzmann (Calor irradiado por los gases y las paredes del horno a alta temperatura). Sin
embargo, en las zonas más frías del horno, en las que tiene lugar la calcinación, el intercambio de calor no es
eficiente, ya que tiene un rendimiento muy bajo comparándolo con el de otros tipos de intercambiadores en
los que los gases están en un contacto más directo con las partículas de crudo y la transferencia de calor es,
casi exclusivamente por convección.
Para las partículas pequeñas de caliza, como es el caso que se presenta en el crudo de cemento, se ha
sugerido que el factor limitante en la velocidad de descomposición sea la cinética de la propia reacción
química. Sin embargo, en las condiciones del horno rotatorio, la suposición anterior sólo sería cierta para las
partículas de la superficie del lecho móvil del material. En la práctica, en el horno rotatorio, el factor que
determina la velocidad de descomposición de la caliza, es esencialmente el transporte de calor a un grueso,
aunque agitado, lecho de material.
Se deduce, pues, que el horno rotatorio, aunque es adecuado para la posterior etapa de la clinkerización, no
lo es para la calcinación, ya que de llevarse a cabo en él se necesitarían de 15 a 30 minutos para su
realización.
Las condiciones son muy diferentes en el nuevo sistema de precalcinación, donde el crudo se dispersa y se
suspende en el seno de un gas caliente. En este caso, la velocidad de descomposición de la caliza, viene
determinada por la cinética de la reacción, ya que la transferencia da calor, casi totalmente por convección,
es muy eficiente, al estar rodeadas las pequeñas partículas de crudo por el gas caliente. La temperatura
dentro de las partículas es prácticamente la misma que la del gas que las rodea.
La velocidad de descomposición de la caliza, es mucho más alta que en el horno rotatorio, y se consigue en
pocos segundos un grado de descarbonatación del 90-95%. En este estado y a una temperatura de,
aproximadamente, 900 ºC, el crudo pasa al horno.
En resumen, en el presente estado de desarrollo tecnológico la mejo solución para obtención del clínker es la
división del proceso de cocción en dos etapas, que se llevarían a cabo en instalaciones separadas:
- Etapa de precalentamiento y calcinación, en lecho fluidificado.
- Etapa de sinterización y clinkerización en horno rotatorio.
En la tecnología clásica, utilizando solamente el horno rotatorio, el calor necesario para el precalentamiento
y calcinación del crudo se genera en la zona de combustión del horno rotatorio. Debido a ello la capacidad
de producción esta limitada, ya que la carga térmica específica (Qte) en la zona de combustión del horno,
cantidad de calor que fluye por hora a través de 1 m2 de sección libre en la zona de clinkerización, no debe
kJ
ser superior a, aproximadamente, 24 2 , la que da un grado de llenado que no debe exceder del 12-14%.
m .h
Por su parte, la carga térmica (Qt) en la zona de sinterización, es la cantidad de calor que se produce por
hora y por m3 del espacio correspondiente a dicha zona. Se tiene que:
Qte = Qt L
donde:
L = Longitud de la llama (Figura 1.2)
Figura 1.2.- Llama normal en el interior de un horno rotatorio.
La introducción de una segunda fuente de calor en una instalación en lecho fluidificado (Sistema SF) nos
ofrece las siguientes posibilidades, con respecto a un sistema SP y manteniendo el mismo diámetro del
horno (La longitud más pequeña):
1.- Manteniendo la capacidad de producción al mismo nivel, reducir la carga térmica especifica en la zona
de combustión, ya que en esta solamente hay que aportar el calor necesario para la clinkerización. Esta
posibilidad tiene las siguientes ventajas:
- Aumentar la duración del revestimiento refractario del horno.
- Menor tendencia a la formación de incrustaciones y acumulaciones en la cámara de entrada al
precalentador.
Lo anterior implica una mayor continuidad de operación del horno, ya que las paradas son más espaciadas
en el tiempo.
2.- Mantenimiento al mismo nivel la carga térmica específica en la zona de combustión, aumentar de forma
considerable la capacidad, ya que se puede aumentar el grado de llenado. Esto permite una mejor utilización
del potencial de capacidad de producción del horno y así como una reducción de los costes de inversión,
manteniendo el efecto favorable de la reducción de formación de acreciones.
3.- Si no se quiere ni aumentar la capacidad de producción ni disminuir la carga térmica especifica en la
zona de combustión, entonces la posibilidad que surge es la de trabajar con un horno de menor diámetro,
además de más corto.
El proceso tecnológico de fabricación del clinker realizando la calcinación en lecho fluido, ha surgido como
consecuencia de que la industria del cemento va hacia instalaciones de gran capacidad de producción, con
reducción de gastos de construcción y de mantenimiento, y el sistema SP tiene límites técnicos, pues si el
grado de llenado no puede superar el 14 %, la única manera de incrementar la capacidad de producción es
aumentar el diámetro del horno, pero esto tiene un limite.
Si se quiere conseguir una mayor calcinación en el sistema SP, hay que trasladar al precalentador la
transferencia de calor que tiene lugar en el horno rotatorio, esto requiere que la temperatura de los gases a la
salida del horno estén por encima de los 1200 ºC. Esto daría lugar a la aparición de elementos volátiles, tales
como álcalis, azufre y cloro, en el intercambiador, con el consiguiente riesgo de formación de incrustaciones
y acumulaciones, que pueden producir taponamientos y atascos. Por tanto, no se puede aportar el calor a
través del horno, haciéndolo más corto o bien quemando más combustible. Esta última solución
incrementaría la carga térmica específica en la zona de combustión del horno y además es antieconómica.
Entonces la solución es aportar el calor directamente en la instalación donde se va a realizar el proceso de
calcinación, (Sistema SF, suspensión flash). Para ello se quema en el precalcinador entre el 60-65% de la
cantidad total de combustible y, en general, se hace con el denominado aire terciario procedente del
enfriador del clínker.
En el diagrama esquemático de la figura 1.3 pueden verse las diferencias entre los sistemas SP y SF. En el
sistema SP (suspensión Preheater), en el precalentador, que se sitúa justo a la entrada del horno, se consigue
una calcinación del crudo que, generalmente, oscila entre el 40 – 45 % de calcinación, de manera que el
otro 55 - 60% de calcinación se ha de realizar en el horno rotatorio, en sus dos primeros tercios de longitud,
siendo el tercio restante para la cocción.
En el sistema SF el crudo entra prácticamente calcinado en el horno (95 – 98 %) y, por tanto, su longitud es
más pequeña, pues no necesita la zona de calcinación.
Figura 1.3.- Comparación entre los sistemas SP y SF. Longitud del horno.
2.- Ventajas del proceso de precalcinación.
El sistema de precalcinación tiene las siguientes ventajas:
1.- El crudo entra prácticamente calcinado al horno (90-95%) y, por tanto la longitud del horno rotativo se
reducirá. Esto exige un menor terreno para su instalación. La superficie en planta necesaria para la
construcción, así se reduce en un 25%.
2.- La reacción de calcinación: CaCO3 ⇔ CaO + CO2, en el precalcinador, se realiza en pocos segundos (2
segundos, aproximadamente) con lo que se reducirá el tiempo de fabricación, lo que implica un aumento de
la producción.
3.- El proceso de combustión en el precalcinador se realiza a una temperatura más baja que en la zona de
clinkerización del horno rotatorio. De ello resulta que la proporción de combustible quemado en el
precalcinador da lugar a una menor formación de óxidos de nitrógeno (NOx). Por este motivo pueden
quemarse combustibles de bajo grado (peor calidad) y, por tanto, más baratos. Por otra parte, los óxidos de
nitrógeno contenidos en los gases que salen del horno se reducen, ya que en este sólo se quema el 40% del
1
1
a
de la existente en el sistema
combustible. De hecho la concentración media de NOx resulta ser de
3
5
SP.
4.- Se puede conseguir la misma capacidad de producción, que un sistema SP, con hornos rotatorios de
diámetro más pequeño. Estos ofrecen las siguientes ventajas:
- Pérdidas de calor, debidas a la radiación y a la convección, son más pequeñas, ya que su superficie es
menor. Esto constituye uno de los factores para que, en comparación con el sistema SP el consumo
específico de calor en el sistema SF sea entre un 5-10% inferior.
- Pueden ser calentados en menor tiempo, por ejemplo después de una parada, con lo que un sistema SF
puede alcanzar la capacidad normal de producción en 18 horas sin dificultad. Además el cambio del
revestimiento refractario se hace más rápidamente, con lo que se reduce el tiempo de parada. Por otra parte,
el tiempo transcurrido entre parada y parada es mayor debido a la mayor duración de revestimiento
refractario. A causa de esto, la producción anual de un sistema SF será entre un 5 y un 8% más alta que para
un sistema SP.
5.- Una de las ventajas más destacables del sistema SF es la duración del revestimiento refractario. Se
suministra menos calor al horno. (Aproximadamente sólo el 40% del combustible total, se quema en el
horno). En las plantas ya existentes, con un horno de dimensiones ya dadas, y si no se aumenta la velocidad
de paso del material, la velocidad de suministro de dicho calor puede reducirse, con lo que disminuye la
carga térmica del horno respecto a uno con el sistema SP, esto trae consigo un aumento de la vida del
revestimiento refractario. Esto aumenta el intervalo de tiempo entre parada y parada del horno, la que
incrementa su disponibilidad y, por tanto, su productividad.
En la figura 2.1 puede verse el consumo específico de ladrillos refractarios básicos de hornos con sistema
SP y con sistema SF en función de la capacidad de producción. La línea de consumo de los hornos con
sistema SF es casi plana es decir, independiente de la capacidad de producción, y la media del consumo está
1
1
alrededor de los 0.2 kg/t clínker, que representa de a
de lo que requeriría un horno con sistema SP.
3
5
Figura 2.1.- Consumo específico de ladrillos básicos para hornos con sistemas SP y SF.
En el sistema SP, y debido al aumento de la capacidad, la duración del revestimiento refractario se acorta,
ya que se incrementa la carga térmica por sección del horno y también por la deformación de la envolvente
del horno. En consecuencia, no resulta económico construir grandes hornos SP a la vista de los costes de
mantenimiento y de la disponibilidad del mismo.
6.- Costos de instalación: El ahorro en el costo inicial del sistema SF frente al SP será mayor debido al
t
y más del 20 % en una de 8000. Por
incremento de capacidad. Supondrá un 10% en una planta de 3000
dia
supuesto, para conseguir esta última producción en un sistema convencional (SP), ha de dividirse en dos
hornos rotativos, dos precalentadores y dos sistemas de enfriamiento del clínker
7.- Sistema de operación: cerca del 90 - 95% de la calcinación del crudo se realiza antes de que éste entre
en el horno rotativo, precisamente en el precalcinador SF, siendo minimizadas las fluctuaciones en la
calcinación mediante un control automático del fuel en el horno flash. Por ello, en condiciones normales de
operación, no hay necesidad de variar la cantidad de fuel y la velocidad de giro del horno. Según esto, el
proceso SF no requiere operadores experimentados y, en conjunto, la operación resulta más fácil, siendo el
clínker producido más uniforme que en los hornos SP.
8.- Control por computador: como la transferencia de calor en el horno flash es realizada instantáneamente y
el tiempo de retención en el horno es de sólo 20 minutos, el control por computador puede ser aplicado de la
manera más racional.
9.- By-pass (Figura 2.2): con el propósito de reducir el contenido de álcalis en el clínker o prevenir las
posibles anomalías en el funcionamiento debidas a las pesadas costras, el sistema de by-pass para los gases
del horno que se viene aplicando en la industria puede ser usado para este sistema. Sin embargo, pueden
obtenerse algunas ventajas frente al sistema convencional, ya que la concentración de álcalis en la corriente
de gases de salida del horno es aproximadamente el doble. Por tanto, la cantidad de álcalis puede ser
eliminada a través del by-pass con la mitad del volumen de gases. Como resultado, la pérdida de calor en el
gas del horno de deshecho y los costos iniciales de inversión para equipos adicionales se pueden reducir a la
mitad respecto a los sistemas SP.
Figura 2.2.- Sistema de horno precalentador/precalcinador con by – pass
3.- Calcinación.
La calcinación es un sencillo proceso químico:
CaCO3 + Calor
→ CaO + CO2
La temperatura teórica de disociación de un carbonato cálcico puro, a presión atmosférica, es de 898 °C (
Figura 3). Depende de la presión parcial del CO2, así a la presión atmosférica y con una concentración de
CO2 del 25%, la disociación empieza a aprox. 810 °C. Algunos componentes, como NaHCO3 o KHCO3 se
disocian a bajas temperaturas (200 - 300 °C) ya en la zona de precalentamiento; otros, como NaCO3 o
K2CO3 se disocian a 800 - 900 °C en la zona de cocción, formando Na2O y K2O que sublima en Na y K a
aprox.1200°C.
La temperatura de disociación del carbonato magnésico no ha sido determinada con exactitud, pero parece
ser que es del orden de los 750 °C.
Indudablemente puede producirse la cal a esta temperatura, aunque comercialmente no interesa hacerlo,
puesto que el tiempo requerido para la operación seria demasiado largo. Puede verificarse la cocción a una
temperatura alta durante un tiempo corto a una temperatura más baja, siempre superior a 898 °C, durante un
tiempo más prolongado, pero, cuanto más próxima sea la temperatura a la mínima requerida, tanto mejor
será la calidad de la cal.
Por otra parte interesa que el tiempo de calcinación sea corto, lo cual induce a elevar la temperatura. Esto
tiene el inconveniente de que al ser mayor la temperatura, se produce un aumento de la reactividad de las
impurezas lo que pude perjudicar la calidad del producto obtenido.
Además, la reacción química que se produce en un horno de cal es reversible; es decir, el óxido cálcico y el
anhídrido carbónico producidos al descomponerse el carbonato pueden combinarse de nuevo y formar otra
vez el carbonato. Esto ocurrirá si se deja que se acumule el gas, porque, entonces, su presión puede hacer
que se invierta el sentido de la reacción.
CO3Ca + calor = CO2 (Se elimina) + CaO
La temperatura más corriente de cocción de la cal aérea es de 1050 a 1100 °C. La cal hidráulica requiere
una temperatura mayor, del orden de 1200 °C, aunque naturalmente, variará con la composición del crudo.
La combustión se realizará con la cantidad precisa de aire, pues si la cantidad de aire suministrada es menor
que la necesaria no se obtendrá el calor total que puede dar el combustible. Solamente una porción del calor
potencial del combustible es utilizada. Si, por el contrario, se quema con un gran exceso de aire, parte del
calor se desperdiciará calentando este aire y, además, la velocidad del aire en el horno aumentarán, y , si las
demás condiciones no varían, el calor contenido en el humo que sale por la chimenea será mayor.
Figura 3.- Energía libre estándar de reacción en función de la temperatura. Las líneas a rayas representan
la presión de gas de equilibrio encima del óxido y el carbonato (el hidróxido).
La transmisión de calor es función de la superficie de contacto. Por tanto, la piedra caliza que se cargue en
un horno debe tener un determinado tamaño. Si se carga con piedras gruesas, se necesitará mayor cantidad
de combustible y no se conseguirá que queden perfectamente cocidas en su núcleo, quedando este sin reaccionar
(Figura 3).
Del análisis de dicha figura se desprende se desprende que la velocidad del proceso de descomposición de la caliza
esta controlado por los siguientes factores:
1.- Velocidad de la propia reacción en la interfase.
2.- Transporte de materia. Difusión del gas CO2 formado en la interfase hacia la superficie exterior, a través de la
zona calcinada y su posterior eliminación de la superficie exterior (Ambiente de la atmósfera del horno)
3.- Transporte de calor. Flujo de calor desde el horno hacia la superficie exterior de la partícula y de esta hacia la
interfase de reacción.
La etapa o proceso más lento de los tres anteriores determinará la velocidad global de la reacción de
descomposición de la caliza. Las variables más importantes a considerar son:
1.- Temperatura del material en la intercara de reacción, que nos determina el valor de la presión parcial de
equilibrio de CO2. A mayor temperatura mayor será dicha presión y como consecuencia de ello la velocidad
de reacción, pues se facilita el que exista un gradiente de presión, con respecto al CO2 , mayor facilitándose la
difusión del gas CO2 formado en la interfase hacia la superficie exterior, a través de la zona calcinada.
2.- Temperatura del gas que circunda a las partículas de caliza y que nos va a determinar la velocidad de
transferencia de calor. A mayor temperatura la transferencia de calor será mayor y, por tanto, la velocidad de
reacción.
3.- Presión parcial exterior de CO2, derivada de la descomposición de la caliza y de la combustión del combustible.
Cuanto mayor sea dicha presión la calcinación será más lenta, ya que entonces la difusión del gas CO2
formado en la interfase hacia la superficie exterior, a través de la zona calcinada, será menor al existir un
gradiente de presión, con respecto al CO2 , más pequeño.
Por otras parte, las piedras demasiado trituradas dejarán poco espacio para que se pueda producir un tiro adecuado
y si son demasiado finas y el lecho es más bien estático pueden sinterizar, formándose agregados de
partículas de mayor tamaño, que tardan más en calcinarse. De cualquier forma, una variación, por pequeña que
sea, en los tamaños de la caliza y del combustible o en sus calidades, producirá un cambio en la conducción del
horno.
Figura 7.5.4.- Representación esquemática de la descomposición de una partícula esférica (por ejemplo.
CaCO3) que da lugar a un producto poroso (por ejemplo CaO) y un gas (por ejemplo CO2). La
reacción es endotérmica, requiriendo la transferencia de calor. Las fuerzas motrices para el
calor y el transporte de masas para la descomposición en estado estacionario son expresadas
como temperaturas y presiones en el horno (Tf ,Pf ) , en la superficie de la partícula (Ts , Ps ) y
en el intercara de reacción (Tr ,Pr ) .
4.- Tipos de precalcinadores.
Existen dos tipos básicos de sistemas de horno con precalcinador:
1.- Precalcinación en conducto ascendente sin conducto de aire terciario. Precalcinación parcial.
2.- Sistemas de precalcinación independiente con conducto de aire terciario. Precalcinación completa.
4.1.- Precalcinación parcial. Sistemas sin ducto de aire terciario.
.
En la precalcinación parcial, las posibilidades de la técnica de precalcinación (Grado de calcinación del 9598 %) no se utilizan y en este tipo de sistemas la calcinación se lleva hasta un 50-70%, con un aporte de un
25-30 % del combustible total en el lecho fluidificado. En este caso no es necesaria la instalación o
construcción de un precalcinador y el combustible se aporta en el conducto de gases que une el horno
con el ciclón del tramo IV (Figura 4.1.1). Lo que si puede hacerse es una modificación de dicho
conducto.
Figura 4.1.1.- Precalcinación en el conducto de gases que une el horno con el ciclón del tramo IV.
Esta técnica puede encontrar aplicación en el caso de modernización de plantas SP ya existentes, que
no tienen necesidad de un aumento apreciable de la capacidad de producción y donde las materias primas no
son adecuadas y el aumento de la capacidad de la planta de preparación de las materias primas resulta
económicamente injustificable.
Además las plantas ya existentes y que disponen de enfriadores planetarios, no ofrecen la
posibilidad de disponer de aire terciario para aportar al precalcinador, ya que el aire necesaria para la
combustión en el conducto, que hace las veces de precalcinador, se aporta a través del horno (La cantidad
de exceso de aire en el horno se aumenta).
El tanto por ciento de combustible, respecto al total, que se puede quemar en el precalcinador depende de la
cantidad de aire que se pueda enviar a la zona de combustión del precalcinador, sin perjudicar la
temperatura de llama en la zona de clinkerización. Dicha temperatura se reduce debido a que hay que
calentar cierta cantidad de aire que no intervienen la combustión. Al bajar la temperatura de llama
disminuye la intensidad de intercambio de calor lo que puede producir una disminución de la
capacidad de producción del horno. En la figura 2.1.2 puede verse el grado de transferencia de calor en
función de la temperatura de llama.
Figura 2.1.2.- Grado de transferencia de calor en función de la temperatura de llama.
Si se intenta conseguir un grado de calcinación elevado en el precalcinador quemando mas
combustible en el y, por tanto, menos en la zona de clinkerización del horno, la temperatura de llama en
esta zona disminuirá y se limitara la capacidad de clinkerización (producción) del horno (Figura
2.1.3). En ese sentido hay una proporción óptima (Máxima) de combustible, que es la que hay que usar en
este método de precalcinación (Figura 2.1.3).
Figura 2.1.3.- Cambio en la capacidad de producción del horno con el grado de precalcinación.
(A).- Precalcinación sin ducto de aire terciario (PARCIAL)
(B).- Precalcinación con ducto de aire terciario (TOTAL)
Las posibilidades de quemar mas o menos combustible en el precalcinador, sin perjudicar la
temperatura de llama, depende de la temperatura del aire secundario y del poder calorífico del combustible
que se queme en la zona de clinkerización, como puede verse en la figura 2.1.4 . Así, cuanto mas alto es
el poder calorífico del combustible (se obtiene el mismo calor con una menor masa de
combustible y, por tanto, el calor necesario para llevarlo a la temperatura de combustión es
menor, Q = mc e ∆T ) y mas alta es la temperatura del aire secundario mayor puede ser la relación
 COMBUSTIBLECALCINADOR 

 , sin una excesiva reducci6n de la temperatura de llama.
 COMBUSTIBLEHORNO 
Figura 2.1.4.- Temperatura de llama en función del exceso de aire para diferentes temperaturas del
aire secundario y dos tipos de combustible
Una ventaja de este tipo de sistemas es que puede utilizarse o acoplarse a hornos con enfriadores
planetarios, ya que estos no ofrecen la posibilidad de tener aire terciario.
Así mismo, la alta cantidad de aire en exceso en la zona de combustión del horno estabiliza el
revestimiento refractario y disminuye la evaporación del azufre. Esta es, probablemente, la razón por la cual
estos sistemas tienen menos problemas de bloqueo en los ciclones e incrustaciones en el tubo de subida
después del horno, que los sistemas convencionales de horno con precalentador de 4 etapas.
También es necesario tener en cuenta que los gases y el aire que fluyen a través del horno no
deberían tener una velocidad por encima de los 12 m/s a la salida del horno, ya que sino se
produce una recirculación de crudo entre el horno y la etapa IV del intercambiador de calor. Esto da
lugar a una limitación del diámetro mínimo del horno, para que la técnica de la precalcinación parcial
pueda ser empleada. Además, una alta velocidad de los gases empeora el intercambio de calor entre
ellos y el crudo.
Tipos de sistemas con precalcinación parcial.
La tecnología de la precalcinación parcial ha sido desarrollada principalmente por la firma Humboldt
- Wedag. Se comercializa con el nombre de PYROCLON S.
En la figura 2.15 puede verse un sistema SP convencional comparándolo con uno con PYROCLON - S. Se
observa que el conducto que une el horno con el ciclón del tramo IV, ha sido extendido
adecuadamente y esta compuesto por dos ramas: una ascendente y otra descendente. Esta solución asegura
la combustión completa del combustible y el intercambio de calor con el crudo, sin una elevación
peligrosa de la temperatura del crudo que se calcina. La altura del conducto se ajusta dependiendo del
tipo de combustible, para asegurar su combustión completa antes de la entrada al ciclón de la etapa IV
del intercambiador de calor de ciclones.
SISTEMA SP CONVENCIONAL
SISTEMA PYROCLON - S
Figura 2.1.5.- Precalcinación parcial. Sistema Pyroclon.
El sistema PYROCLON – S, sin tubería de aire terciario, se utiliza en combinación con el horno y el
enfriador de satélites para aumentar rendimientos.
La compañía Polysius también fabrica instalaciones de precalcinación parcial con combustión de
parte del combustible en el conducto que une el horno con el ciclón del tramo IV del intercambiador de
calor. El nombre comercial que tiene es PREPOL- AT.
La compañía FLSmidth dispone del sistema ILC – E ( In line calciner) usando exceso de aire, el cual
puede verse en la figura 2.1.6. Combustible en el precalcinador 10-25 %.
Las ventajas que señala son:
- Solución económica para capacidades de producción pequeñas y medias ( 800 – 3500 tpd)
- Consumo específico de energía bajo
- Fácil operación debido al alto tanto por ciento de exceso de aire en el horno.
- Baja tendencia a la formación de acreciones en la entrada del horno y en el conducto de entrada al horno.
- Larga duración del revestimiento refractario del horno.
- Se puede emplear con enfriadores tanto planetarios como de parrilla
Figura 2.1.6.- ILC – E ( In line calciner) de FLSmidth usando exceso de aire
4.2.- Precalcinación total. Sistemas con ducto de aire terciario.
Los sistemas con precalcinador y con ducto de aire terciario permiten la calcinación casi completa del crudo
y proporcionan las capacidades de producción más altas con el consumo energético mas bajo. Con la
combustión del 60-65 % del combustible en el precalcinador se consigue una calcinación del 9095 % y se asegura un incremento de la capacidad de producción de 2.5 veces mayor que la de un sistema
convencional.
Los hornos con precalcinador alcanzan capacidades de hasta 10000 t clinker/Día. Un horno de tamaño
medio, Φ = 5.6 m. y L = 95 m. con intercambiador de calor de ciclones y precalcinador nos ofrece la
posibilidad de una capacidad de producción de 8000 t clinker/Día. Altas capacidades específicas de
producción traen como consecuencia un sustancial descenso de los costes de construcción de
dichos hornos.
Herchenbach afirma, que para los hornos con la segunda fuente de calor mejor ajustada, las
capacidades de 4000 – 5000 t/día ofrecen la posibilidad de obtener un consumo mínimo de calor
( Figura 2.2.1.). Al mismo tiempo, los diámetros de dichos hornos, 4.8 – 5 m, y su carga térmica
kJ
específica en la zona de combustión, 20x106 2 , son tales que garantizan unas condiciones de
m .h
operación favorables y una larga duración del revestimiento refractario, así como una adecuada
eficiencia operacional de la instalación.
Figura 2.2.1.- Propuesta de ejecución de horno rotatorio de 1000-8000 t/día.
Q TOT = Consumo específico de calor,
v OE = velocidad del gas a la entrada del horno
Q WT = Cantidad de calor suministrada en el precalcinador
La realización de un grado de calcinación más elevado no es oportuno, ya que la no finalización del proceso
de calcinación constituye un regulador, que previene un excesivo aumento de la temperatura en el
precalentador lo que es importante para:
1.- Prevenir acumulaciones e incrustaciones de material en el precalcinador y en el precalentador, debidas a
fusiones a baja temperatura, que pueden bloquear la entrada de gases.
2.- Prevenir una elevada temperatura de salida de los gases, que trae consigo mayores pérdidas de calor.
3.- Evitar aglomeraciones o agregados de partículas en el precalcinador, que se favorecen por un aumento de
la temperatura, que pueden no tener el tiempo suficiente para ser calcinados, debido al corto espacio de
tiempo que el crudo permanece el precalcinador, normalmente 2 segundos, que es demasiado corto para
que dichos aglomerados se calcinen completamente.
Los precalcinadores además deben de asegurar la combustión completa del combustible, para que los gases
de salida no contengan CO. Estos gases tienen una temperatura ligeramente superior, que en el caso de una
instalación de intercambiador de ciclones convencional. Sin embargo, las pérdidas de calor por las paredes
del horno son menores.
La combustión del combustible en los precalcinadores se lleva a cabo con llama débil, ya que el intercambio
de calor, que tiene lugar en un 90% por el mecanismo de convección, es muy intenso entre las partículas de
crudo y de combustible, que además de ser muy pequeñas están muy juntas. Estas condiciones favorables
para el intercambio de calor, son la razón para que el tiempo de calcinación sea muy corto y que venga
determinado por la velocidad de la reacción química, y no por la transferencia de calor ni de masa.
Para obtener un buen mezclado entre el crudo y el combustible y los gases calientes provenientes del horno,
en la mayoría de los precalcinadores se crea un movimiento tipo VORTEX.
3.- SISTEMAS DE PRECALCINACIÓN TOTAL.
Existe un gran número de sistemas de precalcinación independiente con conducto de aire terciario, es decir
de sistemas de precalcinación total, que se pueden clasificar dentro de cuatro grupos:
- Sistema de precalcinación del tipo ILC ( In Line calciner systems) (figura 3.1)
- Sistema de precalcinación del tipo SLC ( Separate Line calciner systems) (figura 3.1)
- Sistema de precalcinación del tipo SLC-S ( Semi - Separate Line calciner systems) (figura 3.1)
- Sistema de precalcinación del tipo SLC-S ( Semi - Separate Line calciner systems) (figura 3.2)
Dentro de cada grupo existen diversos tipos de precalcinadores según la firma que los fabrique.
En el sistema ILC los gases del horno pasan por el precalcinador, mientras que en los otros sistemas no
pasan.
Figura 3.1.-Clasificación de los sistemas de precalcinación con conducto de aire terciario de acuerdo con la
configuración del flujo de gases.
Figura 3.2.-Sistema de precalcinación con conducto de aire terciario SLC-I ( Separate Line calciner with In
Line calciner).
Precalcinador flash IHI - SF.
La Ishikawajima - Harima Heavy Industries, Co. Ltd. de Tokio (JAPON) desarrollo una nueva
técnica en el campo de la producción de clinker de cemento portland por vía seca, consistente en la
puesta a punto de un nuevo intercambiador de calor de ciclones. El sistema se conoce con el nombre de
IHI - SF (Suspension Preheater Flash Calciner).
Las investigaciones comenzaron en el ano 1963 y fueron enfocadas hacia la sustitución del horno
rotatorio, de baja productividad en el proceso de calcinación, por uno de tipo estático, pequeño
tamaño y gran eficiencia. Entonces el sistema IHI - SF tiene como base la idea de que el horno
rotatorio solo sirve como intercambiador económico de calor en la zona del clinkerización (Zona de
alta temperatura), donde la transferencia de calor se realiza, principalmente, por el mecanismo de
radiación (Proporcional a la temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia). Sin embargo, en las
zonas mas frías del horno rotatorio, en las que tiene lugar el proceso de calcinación, el
intercambio de calor no es tan eficiente, ya que tiene un rendimiento muy bajo comparándolo con
otros tipos de intercambiadores de calor, en los que los gases están en un contacto mas directo con las
partículas de crudo y la transferencia de calor se realiza, casi completamente, por el mecanismo de
convecino.
En el ano 1968 se aplico por primera vez el sistema IHI - SF en una planta de calcinación de
alúmina de las Industrias Químicas SUMITOMO.
Las investigaciones continuaron con el fin de aplicar esta técnica en la industria del cemento y así en
el ano 1971 empezó a funcionar la primera planta de producción de clinker con el sistema IHI - SF.
Pertenecía a la Sociedad de Cementos Chichibu y tenía una capacidad de producción de 2000 t
clinker/24 h. La industria cementera japonesa acepto rápidamente el sistema de precalcinación,
ocupando este sistema el primer puesto en cuanto a sistemas de producción de clinker de cemento, por
encima del sistema SP.
El sistema IHI-SF se puede explicar siguiendo la representación esquemática de la figura 3.3, en la que
pueden seguirse los flujos de los distintos materiales. La planta de clinkerización está compuesta, siguiendo
el flujo del crudo, por un precalentador de suspensión, similar a los del tipo convencional, un horno de
calcinación, horno Flash, desarrollado por IHI, un horno rotatorio y un enfriador de clinker, que en este caso
es de parrilla.
Los principios de este proceso son:
1.-Una reacción de calcinación, endotérmica y que requiere más de la mitad de las calorías necesarias en
todo el proceso de clikerización. Esta reacción tiene lugar en el horno flash. La calcinación se realiza en
segundos (2-5 seg.), debido al alto rendimiento en de intercambio de calor que tiene lugar en el horno
flash.
2.- La reacción de clinkerización es exotérmica y se realiza en un horno rotativo relativamente pequeño, con
un adecuado tiempo de retención, usando el calor irradiado por los gases y las paredes del horno a alta
temperatura.
Por su parte, en la fiqura 3.4 puede verse con más en detalle el precalcinador (Horno FLASH),
mediante secciones longitudinales y un esquema tridimensional. En ella se muestra su estructura y su
modo de operación. El precalcinador esta compuesto de dos cámaras : la de torbellino o de mezcla (Parte
inferior) y la de reacción o cámara de calcinación (Parte superior). Para una capacidad de producción
de 3500 t clinker/24 h la cámara de calcinación tiene un diámetro de 7.4 m y para 4000 t
clinker/24 h el diámetro es de 8.2 m. La altura de la cámara es igual a la del ciclón del tramo
inferior.
La forma de la cámara de calcinación se ha determinado de modo que se logre un rápido intercambio
térmico entre el crudo y los gases. El calor se transfiere en un 90 % por el mecanismo de
convecino y el 10 % restante por el de radiación.
Figura 3.3.- Representación esquemática de un horno con precalcinador IHI – SF
En la figura 3.4, también se dan las curvas de distribución de la temperatura en tres secciones
longitudinales diferentes de la cámara de calcinación, donde se puede observar que la temperatura
oscila entre 830 y 910 °C, siendo mayor en el centro del precalcinador.
La cámara de torbellino esta situada el final del ducto del aire terciario, cerca de la entrada de los
gases del horno, con lo que produce un premezcla de ambos. El aire terciario proviene de la zona
media del enfriador y, por consiguiente, su temperatura es media, aproximadamente entre 750780 °C
(700 - 750 °C), así los gases de escape del horno, antes de entrar en la cámara de calcinación, se
enfrían, con lo que los componentes volátiles que contiene condensan sobre las partículas de polvo
que son arrastradas desde el horno y son reciclados nuevamente al horno, se evitan así las adherencias
de material en las paredes de la cámara de calcinación y disminuye el peligro de taponamiento de los
ciclones.
Como consecuencia, normalmente, no suele ser necesario limpiar las paredes del precalcinador y los
trabajos de limpieza, en caso de ser necesarios, se limitan a la zona ascendente desde la boca del horno y
antes del punto de mezcla.
La entrada del crudo precalentado procedente de la etapa III del intercambiador esta situada en la
parte superior de la cámara de reacción (calcinación) y los quemadores, en numero variable, se
colocan radialmente en la parte inferior de dicha cámara, inyectando el combustible
horizontalmente (Carbón pulverizado, fuel - oil atomizado).
En la cámara de torbellino se induce una mezcla de gases de escape del horno con el aire terciario
precalentado. Dicha mezcla entra en la cámara de reacción, en su mayor parte, a lo largo de las paredes
afectadas de gran turbulencia junto con partículas de crudo en suspensión. Esta mezcla de gases y partículas,
completa una o más revoluciones, subiendo hacia el conducto de salida de gases.
Figura 3.4.- Precalcinador IHI
Debido al remolino formado se crea una depresión en la zona central de la cámara lo que facilita la
introducción del crudo y del combustible en dicha zona. De ese modo se mezclan con los gases y el aire.
Cuando las partículas de combustible se queman, el calor desarrollado se transfiere casi instantáneamente, a
las partículas de crudo. Por eso, la luminosidad de la llama de combustión que se observa en el horno
rotatorio, no es observada en el precalcinador.
El movimiento en torbellino, da lugar a una distribución de temperaturas favorable, ya que en las paredes de
la cámara de calcinación se dan las temperaturas más bajas.
Precalcinador RSP ( Reinforced Suspensión Preheater).
El precalcinador RSP fue puesto a punto al principio de los años 70 por ONODA, y la firma CLE es
licenciataria desde 1972. El precalcinador puede verse en la figura 3.5 y ha sido mejorado continuamente a
medida de sus puestas en operación y en la actualidad más de 80 unidades están en servicio en el mundo.
Consta de dos cámaras : de precalentamiento y de mezcla (calcinación) y supone una modificación de la
canalización inferior del intercambiador convencional y pertenece e los sistemas de precalcinación SLS-C
(Línea de precalcinación semiseparada), donde los gases no pasan por el calcinador.
Figura 3.5.- Precalcinador RSP (Reinforced Suspensión Preheater).
En la figura 3.6 se da una representación esquemática de un horno con precalcinador RSP, mostrando los
flujos de gas y de crudo.
Figura 3.6.- Representación esquemática de un horno con precalcinador RSP.
La cámara de calefacción esta provista de un quemador turbulento y la de calcinación, que esta dispuesta
paralelamente a la anterior, tiene forma de "Cuello de cisne", de aproximadamente 50 m. de longitud, con
lo que se consigue aumentar el tiempo de contacto (-2.5 s.)y, por tanto, el intercambio de calor.
El crudo que cae del ciclón del tramo superior se distribuye de modo regular en los gases de
combustión de la cámara de precalentamiento, cae en su interior y después de chocar con los gases que
ascienden procedentes del horno, es aspirado a la cámara de calcinación y al ciclón del primer tramo
del intercambiador.
El Precalcinador RPS está caracterizado por los siguientes principios:
1.- Combustión en un hogar ciclónico, alimentado en aire puro procedente del enfriador de clínker que
permite un encendido de los combustibles sólidos en condiciones óptimas.
2.- Mezcla del crudo y del aire de combustión que permite una dispersión eficaz del crudo en el hogar. Este
factor es primordial para asegurar un buen intercambio térmico y una protección del revestimiento
refractario.
3.- Nivel alto de turbulencia en el hogar y la cámara de mezcla, que permiten mejorar las cinéticas de
combustión y de descarbonatación.
4.- Instalación de un diafragma regulable a la base de la cámara de mezcla, cuya función es regular los
excesos de aire en el horno y en el precalcinador. Este dispositivo se revela muy eficaz para ajustar los
parámetros de combustión del horno y, como consecuencia, limitar las emisiones de NOx.
En los años 80, CLE y ONODA han aportado mejoras importantes al diseño básico del RSP:
- Adaptación del tiempo de retención en relación con el combustible usado por ajuste del volumen de la
cámara de mezcla, como puede verse en la figura 3.7.
Figura 3.7.- Ajuste del volumen de la cámara de mezcla según el combustible usado.
- Modificación del hogar de encendido que permite recibir una parte del aire de combustión, tal y como se
muestra en la figura 3.8.
Figura 3.8.- Modificación del hogar de encendido del precalcinador RSP
Este último diseño permite realizar el encendido del carbón en una zona de alta temperatura y de atmósfera
reductora; por consiguiente, con una emanación pequeña de NOX, lo que produce partículas de choque
reactivo que se queman más rápidamente en la zona oxidante del hogar.
Estas mejoras han sido determinantes para el uso de combustible de bajo contenido en materias volátiles o
de alto contenido en cenizas y permiten un funcionamiento estable de las líneas de cocción equipadas de
precalcinación RSP.
La combustión del combustible, que puede ser de bajo poder calorífico, se realiza con aire caliente
procedente de la zona intermedia del enfriador de clinker, que es transportada mediante una
tubería de aire terciario.
Precalcinador PYROCLON.
El calcinador PYROCLON R es una evolución del precalentador de calor y fue construido por KHD por
primera vez con su tramo de combustión en los años 1965/66.
Mientras que el sistema PYROCLON S sin tubería de aire terciario se utiliza en combinación con el
horno y el enfriador de satélites especialmente para aumentar rendimientos, el sistema PYROCLON R con
conducción de aire terciario paralela al horno se ha impuesto en el mercado para las plantas nuevas y
para hogares secundarios con una proporción superior al 40% del combustible a quemar (Figura 3.9).
Figura 3.9.- Diversos tipos de precalcinadores PYROCLON.
La longitud del tramo de combustión y de reacción por encima de la cámara de entrada se determina,
teniendo en cuenta la calidad y la combustión total del combustible, para tiempos de permanencia de hasta
5 segundos. La longitud puede venir determinada, sin embargo, por los condicionantes de las obras
civiles.
Para reducir la proporción de los óxidos de nitrógeno (NO x )en los gases de escape del horno se
desarrollo el calcinador PYROCLON LowNOx, que cumple al mismo tiempo dos importantes funciones:
1.-Descarbonatar ampliamente el crudo, como lo hace un PYROCLON normal.
2.- Eliminar el NOx que se forma en el hogar del horno como consecuencia de las altas temperaturas de
llama.
La eliminación del NOx, se consigue en el calcinador PYROCLON LowNOx creando una atmósfera de
gas reductora con fuerte formación de monóxido de carbono (CO). Hay que diferenciar cuatro sectores
funcionales:
(i).- ZONA DEL AIRE LIMPIO donde se quema la mayor parte del combustible del calcinador con el
aire terciario, disponiéndose así do la mayor parte de la energía para la descarbonatacion del crudo.
(ii).- SECTOR LowNOx donde se quema la menor parte del combustible del calcinador en los gases de
escape del horno, generándose una atmósfera reductora al formarse monóxido de carbono (CO).
(iii).- ZONA DE LOS FLUJOS, donde tiene lugar un mezclado lento, debido a la conducción casi
paralela de ambas corrientes de gas a casi igual velocidad, hasta un cambio de dirección de 180 °,
quedando así asegurado un tiempo de reacción lo suficientemente grande.
El gas de escape del horno y el aire terciario se conducen al calcinador en flujos distintos que
forman un ángulo agudo. Como consecuencia de ello, ambas corrientes se mezclan muy lentamente. A la
corriente de gases de escape del horno, pobre en 02 se añade a si mismo combustible.
El CO que se forma en ella (combustión incompleta al no existir la cantidad suficiente de O 2),
puede desintegrar así una parte del NOx de los gases de escape del horno. Simplificando diremos que el CO
reacciona, por ejemplo, con el NO formando CO2 y N2, según la reacción:
2CO + 2NO
⇒ 2CO2 + N2
La presencia del crudo y del carbón en polvo tiene entonces un efecto catalizador.
(iv).- ZONA DE MEZCLADO, que llega hasta la entrada del ciclón inferior y es donde se deshacen los
flujos y tiene lugar la combustión total residual del CO a CO2.
Figura 3.10.- Precalcinador PYROCLON LowNOx con cámara de arremolinado PYROTOP.
Con el fin de evitar que lleguen hasta el ciclón inferior del precalentador corrientes de CO - pese a la
inversión de 1800 del flujo, en el vértice del tramo de combustión - se desarrollo la cámara de reacción
PYROTOP (Figura 3.11), la cual genera una mayor turbulencia que el codo de 180 º. Aún cuando tiene un
aspecto parecido, no es realmente un ciclón, por lo que la pérdida de carga es reducida.
Figura 3.11.- Cámara de arremolinado PYROTOP. Flujo típico.
Principalmente en el calcinador LowNOx hay que poder confiar en la mezcla de corrientes de gas. Ello se
consigue plenamente gracias a la inversión repetida de la corriente de gas y harina. Con el PYROTOP se
complementa el calcinador LowNOx. El PYROTOP es además adecuado para todos los combustibles.
Una parte del polvo separado puede recircularse a la tubería ascendente y con ello también a la
cámara de entrada (Figura 3.10).
Las características del precalcinador PYROCLON LowNOx son :
- Simplicidad de diseño.
- Suspensión en flujos paralelos.
- Completa combustión del combustible.
- Máxima reducción de NOx térmico.
- Mínima formación de NOx debido al combustible.
- No hay costes adicionales por:
* Consumo calorífico.
* Pérdida de carga
* Utilización de aditivos
Finalmente en la figura 3.12 puede verse una representación esquemática de un horno con precalcinador
PYROCLON LowNOx, así como un detalle de la torre intercambiadora de calor con el precalcinador
Figura 3.12.- Representación esquemática un horno con precalcinador PYROCLON LowNOx.
Precalcinador PREPOL.
La tarea del precalcinador es calentar y calcinar el crudo, así como asegurar la completa combustión del
combustible alimentado en él. Esta última, para determinados tipos de combustible (Altamente reactivo
hasta extremadamente no reactivo), necesita más tiempo que el precalentamiento y calcinación del crudo,
por lo que es el parámetro decisivo en el dimensionamiento del calcinador.
La firma KRUPP POLYSIUS ofrece 3 tipos de precalcinadores con conducto de aire terciario : PREPOL
AS , PREPOL AS-CC Y PREPOL MSC (Tabla 3.1)
Tabla 3,1- Matriz para la selección de los precalcinadores PREPOL
Las ventajas de los precalcinadores PREPOL son:
- Operación uniforme del horno a causa de la extensiva precalcinación del crudo.
- Reducida caída de presión en el precalentador-precalcinador, debido a un diseño de flujo optimizado.
- Mínima formación de acreciones en el precalentador-precalcinador, gracias al reducido ciclo de álcalis.
- Larga duración del revestimiento refractario del horno, como resultado de las bajas tensiones térmicas.
- Flexibilidad en el tipo de combustible a utilizar en el calcinador.
El precalcinador PREPOL AS (Aire separado) (Figura 3.13) es adecuado para todos los tipos de
combustible (Tabla 3.1) y en él el crudo , los gases de salida del horno , el aire terciario y el combustible se
alimentan a la entrada del calcinador, donde las condiciones para la ignición y la combustión son ideales.
Figura 3.13.- Precalcinador PREPOL AS.
El precalcinador PREPOL AS-CC (Aire separado y Cámara de Combustión) (Figura 3.14) también es
adecuado para todos los tipos de combustible, destacando para los no reactivos (Tabla 3.1).
El precalentador tiene dos ramales con 6 etapas de ciclones, por razones termoeconomicas. De esta manera
se pueden aprovechar en forma óptima, los gases de escape del horno para precalentar la harina de
crudo en el DOPOL. Los gases abandonan el DOPOL a una temperatura de solo 250 °C, que todavía sirve
para el secado completo de la materia prima en un molino de rodillos.
La perdida de carga del precalentador de 6 etapas es de unos 45 mbar, funcionando a capacidad nominal. La
baja perdida de carga es alcanzada esencialmente por la conducción optimizada de gas de las tuberías hasta el
interior de la cabeza de ciclón inclinada, y por la reducción de las turbulencias, gracias a la disposición
excéntrica de las salidas de gas.
Debajo de todos los ciclones se encuentran compuertas pendulares para impedir la corriente de cortocircuito de
los gases.
Se alcanza un alto rendimiento térmico mediante un grado elevado de separación del ciclón, distribución
homogénea de la harina por toda la sección de la tubería de gas y la reducción de la formación de chorros de
harina de crudo, debido al desvío aerodinámicamente favorable de la corriente de gas a los ciclones.
Figura 3.14.- Precalcinador PREPOL AS - CC.
Este sistema cuenta con una cámara de combustión separada y ofrece alta flexibilidad en el empleo de
combustibles poco reactivos y crudo con elementos combustibles de mala combustión. También es
efectivo para combustible y crudos que por su composición pueden causar ciclos de álcalis elevados, que
podrían inhibir el proceso de combustión.
La combustión comienza en el centro de la cámara de combustión con aire terciario puro y donde hay
una baja concentración de crudo. A continuación, el combustible no quemado pasa, junto con el crudo,
a través de un conducto a tomar contacto con los gases de salida del horno donde reaccionan con el
oxígeno residual. Variando la cantidad de aire terciario en la zona superior de la cámara de combustión,
se puede ajustar la temperatura óptima del núcleo caliente para el combustible correspondiente.
La cámara de combustión tiene dos entradas de aire terciario, una dispuesta tangencialmente y la otra en
el medio de la cámara. El bucle de calcinación recibe los gases de salida del horno y de la cámara de
combustión. El crudo, de la etapa II, entra en la cámara de combustión en un punto próximo a la entrada
tangencial del aire terciario. El sistema de calcinación esta dimensionado para un porcentaje de
combustible de 60 y un tiempo de permanencia. de gas de aproximadamente 4 segundos.
Mientras que el desarrollo seguido en los últimos años por los calcinadores estaba centrado en la
adecuación de los combustibles, se esta planteando ahora, a la vista de la creciente concienciación
medioambiental, la reducción de las emisiones de NOx a través de una combustión por etapas en el
calcinador. Una solución eficaz viene representada por el PREPOL MSC.
El precalcinador PREPOL MSC (Figura 3.15) también es adecuado para todos los tipos de combustible,
destacando para los de alto contenido en cenizas y en trozos (Tabla 3.1). Con sus zonas reductoras
ajustables, con la aportación escalonada del combustible, del aire terciario y del crudo, permite adaptar
las condiciones reductoras para minimizar la formación de NOX. El reactor del PREPOL MSC está
compuesto por la zona de entrada del horno y el bucle de calcinación.
Una pequeña cantidad de combustible se aporta a los gases del horno en el nivel inferior de combustión
en dirección contraria a la corriente. Para ello se utiliza un quemador en la entrada del horno. El
combustible así aportado piroliza y reacciona con la pequeña cantidad de oxígeno aun remanente. De esta
forma se crea una zona reductora, donde los óxidos del nitrógeno son transformados en nitrógeno y
vapor de agua. Con esta disposición, el quemador principal funciona siempre bajo condiciones oxidantes, para garantizar una buena y constante calidad del clínker. La combustión posterior de los
componentes del combustible, que no han entrado en reacción, tiene lugar en el calcinador.
Además de los óxidos de nitrógeno procedentes del quemador del horno, que son transformados en
parte en la zona de entrada del horno, se pretende bajar la generación de NOX en el calcinador,
procedente del nitrógeno del combustible. Para ello en el bucle del calcinador es necesario que en la
calcinación el combustible se queme bajo condiciones reductoras: el aire terciario es aportado por ello
escalonadamente en una segunda etapa, a fin de conseguir una combustión con defecto de aire,
primero, y oxidante, después. Así, la mayor parte del combustible de calcinación bajo condiciones
reductoras en el nivel inferior de combustión del calcinador.
Mediante una adecuada distribución de la alimentación de crudo a los dos niveles del calcinador puede
influirse favorablemente sobre la temperatura en la zona de reducción. Detrás de esta zona,
debidamente dimensionada, se aporta en el nivel superior de combustión del calcinador una cantidad
suficiente de aire -también llamado "aire superior"- a fin de garantizar la oxidación de los
componentes gaseosos, inquemados. Si fuera necesario, puede aportarse otra pequeña cantidad de
combustible.
La temperatura en la zona reductora del bucle se regula según la repartición del crudo a los diferentes
niveles del calcinador. La cámara deflectora tiene la función de crear una buena turbulencia para mezclar
el aire terciario superior con el monóxido de carbono y quemarlo completamente. Aparte de ello en la
cámara deflectora se decanta casi al 50 a 70% del material que se transporta en el calcinador. Este material
pasa directamente al horno, ya que esta descarbonatado
Figura 3.14.- Precalcinador PREPOL MSC.
Una eficaz mezcla con el aire superior mediante elevada turbulencia se consigue integrando una cámara de
desvió en el bucle de calcinación. Ello garantiza la completa transformación del CO, lo que es de especial
importancia cuando se utilizan combustibles poco reactivos, bajos en volátiles, que queman muy
despacio, aun cuando se aporte aire superior. Con esta desviación se consigue, además, separar
aproximadamente un 30-50% del material arrastrado por la corriente del gas. Este material puede
devolverse a la zona de reducción para prolongar el tiempo de permanencia de la harina y del
combustible no completamente quemado, o alimentarse al horno como material calcinado.
El aumento del tiempo de permanencia de las partículas del combustible no totalmente quemadas reduce
el porcentaje de combustible que abandona el calcinador, lo que tiene importancia en el caso de los
combustibles de reacción lenta como, por ejemplo, el coque de petróleo.
Las posibilidades que tiene un combustible de contribuir en la reducción de los óxidos de nitrógeno
dependen de su reactividad. Esta reactividad puede expresarse bien por la velocidad con que disminuye
la concentración del oxígeno en mezclas de gas definidas, o bien por la velocidad con la que se
forma el monóxido de carbono.
La concentración del monóxido de carbono puede tomarse a su vez como magnitud piloto para la
formación de radicales procedentes del combustible, que dan lugar, aparte del CO, a la reducción de
los óxidos de nitrógeno, en nitrógeno y vapor de agua.
La generación de CO es por ello, además de la técnica de combustión en varias etapas, un punto
esencial a la hora de enjuiciar el potencial de reducción del NOX. La figura 3.16 muestra el desarrollo
del CO de diferentes combustibles en función del tiempo de reacción. En la figura se comparan los
combustibles de tres plantas cementeras con un carbón de referencia. La muestra 3 era un lignito
altamente reactivo, mientras que las muestras 2 y 1 eran mezclas de hulla y coque de petróleo. Como
muestra de referencia se utilizó un coque de petróleo. Los tres combustibles se utilizan en instalaciones
dotadas de combustión por etapas.
En la figura 3.16 puede apreciarse claramente que el lignito, como consecuencia de su alto contenido en
volátiles, tiene con diferencia la mayor producción de CO. La muestra 2, con una composición de 70%
hulla y 30% coque de petróleo, es comparativamente mucho más plana. La muestra 1, con una
composición de un 80% coque de petróleo, no se diferencia sustancialmente de un coque de petróleo
puro. Las tres muestras de combustible difieren entre sí de forma muy clara, y abarcan prácticamente
todo el abanico de los carbones utilizados en fábricas de cemento.
Figura 3.16.-. Curvas de concentración de CO de diferentes combustibles.
Los resultados de las mediciones de NOX están contenidos en la figura 3.17. Se representan los valores NOX
en relación con el exceso de aire en la entrada del horno, indicándose en el eje de ordenadas izquierdo
la escala en mg NO 2/Kg. y en el derecho en mg NO2/Nm 3. Al funcionar sin MSC, la emisión básica
después del ciclón del calcinador se sitúa alrededor de 1.6 g NO2/Kg. clinker o respectivamente en 0.6 g
NO2/Kg. clinker en la entrada del horno, en condiciones claramente oxidantes.
Cuando se utiliza el MSC, estos valores quedan rebajados a 1.1 g NO2/Kg. clinker y 0.35 g NO2/Kg. clinker
detrás del calcinador y en la entrada del horno respectivamente. Ello significa que, además de la ya baja emisión
básica, se consigue una reducción media de la emisión total de un 30 %. Referido a la entrada del horno,
pueden conseguirse incluso rebajas superiores al 40 %.
Figura 3.17.- Emisiones de NO2 con y sin combustión escalonada MSC.
Precalcinadores FLSmidth.
Sistema ILC (In Line Calciner). Una representación esquemática de este tipo de precalcinador puede verse
en la figura 3.18, en la que también se encuentra detallado el flujo del gas, crudo y combustible.
Figura 3.18.- Sistema ILC (In Line Calciner).
Sistema SLC-D (Separate Line Calciner - Downdraft). Una representación esquemática de este tipo de
precalcinador puede verse en la figura 3.19, en la que también se encuentra detallado el flujo del gas, crudo
y combustible.
Figura 3.19.- Sistema SLC-D (Separate Line Calciner - Downdraft).
Algunas de las características de este sistema son:
- Capacidad normal:1500-6000 tdp y con múltiples líneas: 10000 tpd
- Proporción de combustible en el calcinador : 55-60%
- By-pass de gas de horno: 0-60%
- Máxima regulación de by-pass: 30%
- Grado de calcinación: 90-95%
Las ventajas que aporta este sistema son:
1.- Alto tiempo de retención del material y del gas en el calcinador/cámara de combustión, cuyas
dimensiones son mínimas puesto que los gases del horno pasan a su través.
2.- Posibilidad de utilizar cualquier tipo de fuel, especialmente los bajos en volátiles. Dando la combustión,
lugar a una atmósfera en la que la temperatura en el calcinador, puede ser controlada
independientemente de la temperatura del crudo en el horno.
3.- Posibilidad de operar como Bajo NOx .
4.- Torre intercambiadora de pequeñas dimensiones, pues el calcinador puede instalarse separadamente de la
torre de ciclones.
5.- Aumento de la vida del refractario, dado que se mejora la calidad del revestimiento y baja la carga
térmica.
6.- Control de las emisiones del horno y del precalcinador ajustando la velocidad de los ventiladores.
7.- No necesita regulador de tiro en el conducto de aire terciario.
Sistema SLC (Separate Line Calciner). Una representación esquemática de este tipo de precalcinador puede
verse en la figura 3.20, en la que también se encuentra detallado el flujo del gas, crudo y combustible.
Figura 3.20.- Sistema SLC (Separate Line Calciner).
Sistema SLC-I (Separate Line Calciner with In Line Calciner). Una representación esquemática de este tipo
de precalcinador puede verse en la figura 3.19, en la que también se encuentra detallado el flujo del gas,
crudo y combustible.
Figura 3.21.- Sistema SLC-I (Separate Line Calciner with In Line Calciner).