Horno de Proceso Seco con Precalentador / Precalcinador

Se puede obtener una ganancia adicional en la eficiencia térmica y una mayor productividad cuando se desvía cierta cantidad del combustible a un recipiente calcinador ubicado en la base de la torre precalentadora. Este sistema se conoce como el horno de proceso seco con precalentador/precalcinador. Mientras una cantidad sustancial de combustible se utiliza en el precalcinador, el horno requiere mínimo un 40% de la energía térmica necesaria para la producción de clinker. La cantidad de combustible que entra al calcinador está determinada por las condiciones (reductoras/oxidantes) de la atmósfera del calcinador y del balance de energía. En el sistema de calcinadores algunas veces pueden utilizarse combustibles de más baja calidad como medio de ahorro económico en el proceso.

* Diseño del Precalcinador.

En el área de diseño del precalcinador se han hecho avances significativos en los últimos cuatro años en lo que se refiere a control de emisiones de NOx, por un método de combustión de cuatro etapas ó etapas múltiples (MSC). Este sistema de combustión por etapas se realiza en un ducto ascendente y en el precalcinador. Para las etapas de combustión, el ducto de aire terciario se divide, de tal forma que parte del aire terciario caliente se suministra a la vez con el combustible, por la parte más baja y por la más alta del calcinador.

El principio del calcinador de bajo NOx es simple. Después de la zona de combustión primaria, la cual debe producirse en una atmósfera oxidante para asegurar la calidad de clinker, una segunda etapa de quema se diseña desde la entrada del horno hasta el ducto elevador del precalcinador, que conduce al precalentador principal. Cuando se queman cantidades prefijadas del combustible dentro de la corriente de gases que proviene del horno, se crea una atmósfera reductora; simultáneamente, se diseña el dispositivo en forma tal que se aseguren el rango de temperatura necesaria y el tiempo de retención. Bajo estas condiciones, gran parte de los NOx se descompondrán y las moléculas de oxigeno del oxido nítrico generado en el horno se combinarán con el carbón libre y el monóxido de carbón del combustible para producir monóxido de carbón y dióxido de carbón y dejar el nitrógeno libre.

Las variables que gobiernan este proceso (combustión en atmósfera reductora) para descomponer NOx, pueden resumirse en: Coeficiente de exceso de aire, tiempo de retención, Temperatura y homogeneidad de la fase gaseosa donde ocurre la reacción.

Siguiendo esta segunda etapa de combustión sub-estequiométrica , el combustible restante se oxida junto con el combustible adicional del precalcinador en la etapa superior del ducto del precalcinador después de la mezcla con el aire de combustión caliente liberado desde la cubierta del horno. Para asegurar la operación continua y en consecuencia la eficiencia de la reducción de NOx, el diseño debe permitir el control sobre el combustible, el perfil de temperatura, y tener suficiente tiempo de retención.

Utilizando el ducto del calcinador fue posible satisfacer todos los requerimientos para realizar unas pocas pero simples modificaciones especificas.

La Figura 1, muestra el diseño principal del calcinador de bajo NOx. En este diagrama se puede ver cómo una parte del aire terciario se encuentra con los gases de escape del horno y fluyen juntos a través del calcinador. El calcinador tiene dos quemadores con diferentes funciones, y la harina del ciclón que proviene de la etapa 3 se divide para introducirla en dos puntos separados.

FIGURA 1. Calcinador de bajo NOx.

El quemador principal del calcinador distribuye la mayor parte del combustible dentro de la porción de aire fresco del calcinador. El segundo quemador (de bajo NOx) alimenta el combustible exclusivamente en los gases de escape del horno. Los gases de escape del horno contienen el NOx formado a altas temperaturas en el horno. También contiene oxigeno correspondiente al exceso de aire en el sistema de combustión. Pero esta separación del suministro de combustible es ahora posible para tener una atmósfera reductora en los gases de escape del horno por la quema deliberada de ciertas cantidades de combustible bajo condiciones sub-estequiometricas. Esto satisface el primer requerimiento para reducir NOx.

Debido al flujo paralelo de los gases de escape del horno y del aire terciario en el calcinador, estas dos corrientes se mezclan gradualmente. El NOx por lo tanto tiene un tiempo de residencia suficiente para la reducción en fase gaseosa. Por tanto se cumple el segundo requerimiento de reducción de NOx.

Además, mediante la adición de pequeñas cantidades de harina a la cámara de bajo NOx, se puede controlar la temperatura en la atmósfera reductora de gases del horno. En esta forma se cumple un tercer requerimiento de reducción de NOx.

Toda cantidad de CO formado en los gases de escape del horno debido a la carencia de oxígeno y a la inyección del combustible en la zona de reducción, se mezcla en forma creciente con el flujo rico en oxígeno presente en el aire terciario y es capaz de reaccionar adicionalmente. La mezcla completa de la corriente gaseosa se logra cuando el flujo cruza a través del codo de 180° y además se asegura un tiempo de residencia óptimo a través del flujo en la tubería descendente.

* Diseño del Horno

La construcción de un horno moderno de cemento requiere tan solo dos zonas con una proporción L/D igual a 11 :1. Con un calcinador de bajo NOx bien diseñado y un quemador moderno a chorro, el horno de dos zonas satisface todos los requerimientos del proceso. El diseño del horno corto con 14 años de experiencia fue probado para toda clase de materias primas. Actualmente no hay razones para continuar diseñando hornos de 3 zonas con precalcinador y quemadores a chorro.

Actualmente, en el mundo existen 7 hornos cortos en operación con capacidad de producción de 2000 a 5000 mtpd. La Figura 2 muestra las reacciones en el interior de un horno corto.

FIGURA 2. Reacciones en un sistema de horno corto.

Cuales son las ventajas de usar un horno de dos zonas ? Aparte de la simplicidad mecánica y de la mayor confiabilidad, existen fuertes evidencias de mejoras en la eficiencia térmica y la calidad del clinker. El mejoramiento de la eficiencia térmica está directamente relacionado con las pérdidas de calor radiante (menor área de la carcaza del horno), con la actividad de calcinación y con la reducción de la zona más caliente del horno rotatorio largo (14-16 :1). Las condiciones de clinkerización se mejoran, permitiendo así, mejores condiciones en la zona de quema. Para el medio ambiente esto significa una disminución en el consumo de combustible y más bajas temperaturas en la zona de quema, factores que están relacionados con la reducción en la formación de NOx.

El mejoramiento de la calidad del clinker se relaciona con la reduccción de la zona más caliente del horno, lo que se traduce en cristales de alita más grandes en el clinker.

* Diseño del Quemador del Horno.

Como la mayoría del NOx formado en el piro proceso de cemento proviene o del combustible utilizado o del aire de combustión (NOx térmico), es importante resaltar el papel que juega el quemador principal del horno en esta emisión, luego se destaca que esta es el área que requiere más atención.

En la actualidad, un horno de cemento de alto desempeño requiere una forma de llama específica. Se necesita una llama que no sea demasiado expandida, ni que sea muy corta o intensa. Cuando la llama es larga, tiene efectos positivos para la formación de NOx, pero no crea una fuente de calor radiante. Cuando es corta, posee buenas capacidades radiantes pero se incrementa el mantenimiento y además se presentan inestabilidades que generan emisiones de NOx.

Cuando el precalcinador del horno utiliza un quemador de tres canales, se obtiene una mejor eficiencia del combustible. La combinación del aire secundario a altas temperaturas, unido a los bajos requerimientos para el aire de combustión y un enfriador más eficiente, más la tendencia hacia llamas más calientes, permiten más alta generación de NOx.

En una gran medida, el efecto anterior puede compensarse usando un quemador del tipo "a chorro" (jet burner). El quemador a chorro ha estado en operación por más de 15 años en 130 plantas del mundo. El quemador ha sido utilizado intensamente para quemar carbón en los hornos de cemento, pero puede ser aplicado para gas, aceite y desechos combustibles para conseguir una más baja generación de NOx.

Dependiendo de la aplicación, el chorro de aire se suministra a media o alta presión (hasta de 1 bar), obteniendo velocidades en la boquilla tan altas como 400 m/s. Esta alta velocidad, específicamente dirigida hacia el eje del aire, permite que el quemador a chorro pueda operar con relaciones de aire primario tan bajos como el 6%, aún cuando se utilicen combustibles de baja calidad.

En efecto, en algunas instalaciones se ha sustituído el gas natural por una mezcla de 30% de gas y 70% de carbón o coque, mediante un quemador a chorro que opera con una relación de aire del 4%, y también se ha aplicado esta tecnología para casos en que no se requiere aire primario para la combustión.

El diseño de las boquillas del surtidor de aire y la orientación son también responsables de reducciones significativas en la formación del NOx térmico, cuando se compara con otra clase de quemador.

El principio de este quemador se muestra en la figura 3. En general la construcción del quemador a chorro es similar a la del ya conocido quemador de tres canales; la principal diferencia es que el aire axial es distribuido por algunos surtidores individuales en lugar de un anillo anular. El número, la medida y orientación de las boquillas depende de la capacidad y la clase de combustible a ser quemado.

FIGURA 3. Principio del quemador a chorro (jet burner).

El quemador a chorro de bajo NOx es una tecnología probada para hornos de cemento que queman combustibles como aceite, carbón y coke. La reducción de NOx comparada con un quemador de tres canales es del 15-40% dependiendo de las condiciones de quemado y del combustible utilizado. Un valor promedio de 25-30% ha sido obtenido en algunas ocasiones.

Cuando este quemador se usa en combinación con el ya mencionado calcinador de bajo NOx, se obtiene la mejor tecnología disponible para reducir NOx en la industria del cemento sin afectar el proceso o los costos de inversión.

* Resultados Industriales .

En 1992 se revisaron los resultados de la instalación del primer calcinador de bajo NOx en NORCEM DALEN CEMENT en 1988. Desde entonces otras instalaciones se han puesto en operación, la última de las cuales se encuentra en Asia con una capacidad de 5000 toneladas métricas por día.

El calcinador de bajo NOx se combina con precalentadores de 4 etapas y hornos de dos etapas. El sistema de alimentación de carbón al calcinador utiliza solo una bomba, por razones de conveniencia e inversión. Esto limita la cantidad de combustible que podría ser alimentado a la sección de bajo NOx del calcinador.

Es necesario resaltar que la operación del calcinador de bajo NOx, no afecta el producto del sistema de horno ó el consumo térmico de calor, el cual (para este calcinador de cuatro etapas) dió un promedio de 715-720 kcal/kg. La Tabla 1 muestra el balance de calor de un sistema de horno con seis etapas de precalentamiento y precalcinador. Se muestran los resultados para un proceso que está operando con un consumo de combustible de 727 kcal/kg de clinker, debido principalmente a un alto contenido de silice y C3S en el clinker.

TABLA 1. Balance de Calor de un Sistema de Horno con Precalentador / Precalcinador de Seis Etapas.

BALANCE DE CALOR DE UNA MODERNA PLANTA DE CEMENTO.

Kcal /Kg de Clínker

%

ENTRADA

Combustible, Quemador Principal

362.2

49.84

Combustible, Calcinador

345.7

47.55

Harina de Crudo

20.8

2.86

Aire Primario y Secundario *

-1.8

-0.25

Combustible Total

706.8

97.26

Entrada Total

726.8

100.00

SALIDA

Calor Teórico Requerido

421.9

58.05

Evaporación del Agua , Alimento del Horno

3.7

0.51

Gas de Salida

108.8

14.96

Pérdidas de CO

0.4

0.05

Polvo del Gas de Salida

2.2

0.30

Calor Perdido del Clinker

20.9

2.88

Aire a la salida del Enfriador

111.6

15.36

Radiación y Convección

33.0

4.54

Residuo

24.3

3.34

Total Salida

726.8

100.00

FUENTE : IEEE Cemente Industry Technical Conferencie, mayo 29 a junio 2 de 1994. Pag 323-357, USA. Titulo : Diseño de una planta de cemento con las más altas normas ambientales.

* Ventajas Ambientales.

* Ventajas Técnicas.

TABLA 2. Factores de emisión para fabricación de Cemento Portlanda en Horno con Precalentador / Precalcinador.

EMISIONES

HORNO PROCESO SECO CON PRECALENTADOR /PRECALCINADOR

SOb2

0.54

NOx

2.1

CO

1.8

COc2

900

Fuente : AP-42. Factores de emisión USEPA 1995.

a Los factores están presentados en Kg/Ton de clinker producido.

b El balance de masa en azufre puede producir un factor de emisión más representativo para unas fabricas específicas que los factores de emisiones presentados en esta tabla.

c El balance de masa de carbón puede producir un factor de emisión más representativo que el presentado en esta tabla

* Desventajas.

Pero también en sistemas precalcinadores del tipo de SLC (Hornos con calcinador de línea separada) o SLC-S (hornos con calcinador de línea separada y ducto de aire terciario), los gases del horno entran en contacto con suficiente cal libre en el ducto ascendente del horno y los ciclones más bajos evitan el SO2 del horno que pasa al sistema precalentador.

La fuente de emisiones de SO2 del precalentador de un sistema de horno con precalcinador es por tanto, el contenido de no sulfatos en la harina de crudo, lo cual genera SO2 en las etapas superiores del precalentador como se explicó antes. Normalmente, el gas del horno se enfría por dilución con el aire aproximadamente a 400 oC (750 oF) en el ducto ascendente del horno y el by-pass externo. Esto se hace con el fin de asegurar la más baja concentración de polvo posible en el by-pass del gas. Esta medida limita la posibilidad de absorción del SO2 extraído con los gases del horno en el by-pass. Muchas veces más del 50% del SO2 presente en el by - pass de los gases del horno se escapa hacia la atmósfera por la chimenea. Esto explica por que el promedio de las emisiones de SO2 del sistema de horno precalcinador es más alto que para el sistema de horno SP (Hornos con precalentador en suspensión).

Debe tenerse en cuenta que el factor de evaporación de los compuestos de azufre en el horno y en consecuencia las emisiones de SO2 del by-pass pueden aumentar drásticamente si la combustión del carbón en el precalcinador es incompleta. En este caso, cierta cantidad de carbón residual del calcinador, entrará al final del horno, donde se crean condiciones de reducción en la carga del horno, resultando un aumento de la evaporación de azufre.

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