Apuntes de Combustion[1]

Hacia un sistema de gestin integral de los residuos slidos

Caracterizacin y posible uso de cenizas resultantes de la combustin del carbn, en la futura Termocentral de lecho fluidizado. Ro Turbio

(Argentina)

Alba Luca Caballeroa, Oscar Alejandro Mdicoa

a Grupo de Trabajos, Universidad Nacional de la Patagonia Austral.

Unidad Acadmica Ro Turbio. Av. De los Mineros 1260 (9407), Ro Turbio. Santa Cruz. Argentina

[email protected]

Resumen. La Central termoelctrica a carbn que se est construyendo en Ro Turbio (Santa Cruz- Argentina) producir como residuo slido, una cantidad aproximada de 500.000 toneladas de ceniza por ao. Se estima que el 55% de esa cantidad corresponda a las denominadas cenizas volantes y un 45% a cenizas de lecho. Determinar el posible uso de este residuo -previamente al inicio de la produccin- permitir reducir el impacto ambiental asociado a la disposicin final. Por tal motivo, el presente trabajo tiene como objetivo caracterizar las cenizas obtenidas a escala laboratorio y predecir su posible uso en el desarrollo de nuevos emprendimientos tecnolgicos. Para lograr el objetivo mencionado se realizaron dos campaas de muestreo de carbn, con el fin de cubrir las posibles variaciones del mineral que alimentar a la Termocentral. La combustin del carbn en el laboratorio se efectu con agregado de caliza, simulando la condicin de operacin real. Para la caracterizacin se determinaron parmetros relacionados al uso en la industria cementera. Los resultados obtenidos a partir de los anlisis realizados, permitieron clasificar las cenizas en silicoaluminosas. Como primera conclusin se pudo establecer que las mismas son aptas para la formulacin de materias primas para la fabricacin de clinker, como as tambin para obtener cementos mixtos. No obstante se estima que el porcentaje destinado a estos usos no superar el 40% de lo producido por el cual ser necesario investigar otras aplicaciones, como as tambin prever la disposicin ambiental de las mismas.

Palabras Clave: Carbn, Cenizas, Cemento, Clinker.

1. Introduccin

1.1 Estado del Arte La combustin del carbn para generar energa elctrica produce fundamentalmente dos tipos de residuos slidos: Las cenizas volantes, obtenidas por precipitacin electrosttica o mecnica del polvo suspendido en los gases de la combustin y las cenizas de hogar o escoria, que caen al fondo por gravedad y que se diferencian de las primeras principalmente por el tamao de partcula. La produccin de cenizas volantes supera a las cenizas de hogar alcanzando valores de hasta un 80% del total de cenizas generadas en una central [1]. La composicin qumica de las cenizas volantes depende del tipo de carbn y del mtodo de combustin. stas se componen principalmente por Slice (SiO2-S), Almina (Al2O3-A), xido frrico (Fe2O3- F), cal (Ca O -C), carbn sin quemar y en menor proporcin (aprox. 5 % en peso): magnesia (Mg O), xido de azufre (SO3), alcalinos (Na2O y K2O y otros elementos trazas). Las centrales termoelctricas utilizan dos sistemas de combustin del carbn: carbn pulverizado (mtodo convencional) y combustin en lecho fluidizado. En el primer mtodo, el


carbn es molido a un tamao muy fino antes de la combustin. Las cenizas volantes que se originan por este mtodo estn clasificadas por la ASTM C618 (ver tabla 1) en dos tipos.

Tabla 1. Clasificacin de las cenizas volantes. Norma ASTM C618 -12a en [1]

SiO2+ Al2O3+ Fe2O3 CaO MgO Humedad Prdidas a la incineracin (LOI)

Clase F Puzolnicas

70% mn

< 15 %

5% mx

3% mx

6% mx

Clase C Puzolnicas y cementicias

50% mn

15 - 30

5% mx

3% mx

6% mx

Segn su composicin qumica y teniendo en cuenta el carbn del cual proceden, las cenizas volantes se clasifican en [2]: Cenizas silicoaluminosas, denominadas tambin puzolnicas no activas, con contenidos de CaO del 15 % (Correspondiente a clase C de ASTM), se llaman hidrulicas o activas. La combustin en lecho fluidizado consiste bsicamente en quemar el combustible junto con piedra caliza en un lecho que se mantiene suspendido por la accin de una corriente de aire. Con ello se logra retener el azufre contenido en el mineral, disminuyendo los xidos de azufre (SOX) en los gases de chimenea, los que al reaccionar con la cal son extrados principalmente con la escoria [2]. Las cenizas resultantes de la combustin en lecho fluido, suelen contener partculas de menor tamao que difieren de las provenientes de la combustin de carbn pulverizado. La composicin qumica tambin es diferente, puesto que el agregado de caliza para extraer el azufre aporta contenidos adicionales de CaO, MgO, CaSO4 y CaCO3. Por lo tanto los componentes principales son: yeso (CaSO4), cal (CaO), slice (SiO2) y xidos de hierro y magnesio. La presencia de CaO libre produce lixiviados fuertemente alcalinos y la mayor parte de sus componentes no funden a las temperaturas de trabajo que son menores (800 a 900 C) a las convencionales (1500 a 1900 C) [3]. En general las cenizas volantes de lecho fluidizado no pueden clasificarse como clase F o C debido a su alto contenido de SO3 y porque la suma SiO2+ Al2O3+ Fe2O3 suele ser baja, no obstante su calidad depende fundamentalmente del contenido de azufre del carbn quemado. Si ese contenido es bajo, limitar la presencia de cal libre y de sulfatos que son los que generan inconvenientes para algunas aplicaciones [3]. Los avances cientficos y tecnolgicos han permitido que los residuos slidos provenientes de la combustin del carbn en las centrales trmicas, tengan diversas aplicaciones. Sin embargo la ms ampliamente probada es el uso de las cenizas de centrales convencionales en la industria de la construccin. Segn un informe del ao 2009, el 48 % de las cenizas volantes y el 45 % de las cenizas de hogar producidas en los pases de la Unin Europea fueron destinados a dicha industria [4]. Numerosos estudios realizados en relacin al uso de las cenizas, fundamentalmente para la fabricacin de hormign y cemento, dan cuenta de las ventajas ambientales, tcnicas y econmicas que ello trae aparejado [5] [8]. Para la fabricacin de cementos con cenizas volantes podemos distinguir dos procedimientos:

Para fabricar clinker, como sustituto de la arcilla en las materias primas (crudo).


Adicin activa a un clinker fabricado por va ordinaria a partir de arcillas y calizas. En lo que respecta a las cenizas volantes y de hogar provenientes de un lecho fluidizado, los principales usos reportados son: Industria de la construccin, agregados sintticos, aplicaciones agrcolas, estabilizacin de residuos, entre otras. No obstante, investigaciones publicadas recientemente han determinado que las mismas son aptas como materia prima para la fabricacin de cementos de sulfoaluminatos de calcio [9], [10].

1.2 Planteamiento del problema En Ro Turbio (Santa Cruz- Argentina), est en construccin una Termocentral que combustionar el carbn mediante la tecnologa de lecho fluidizado circulante a presin atmosfrica. La produccin anual de cenizas en la central trmica de Ro Turbio ser de aproximadamente unas 500.000 t/ao de las cuales el 55% sern cenizas volantes, el 40% se recolectarn en el fondo del hogar y el 5% restante en un separador ciclnico. Determinar el posible uso de este residuo -previamente al inicio de la produccin- permitir reducir el impacto ambiental asociado a la disposicin final del volumen total generado.

1.3 Objetivos y Alcances Los objetivos generales del presente trabajo son:

Caracterizar las cenizas obtenidas a escala laboratorio, mediante la combustin de muestras de carbn con agregado de caliza.

Predecir el posible uso del residuo slido generado, en el desarrollo de nuevos emprendimientos tecnolgicos.

La principal limitacin consiste en el hecho de no disponer de cenizas reales, lo que ha reducido la caracterizacin a la mera determinacin de la composicin qumica de las muestras obtenidas artificialmente. No obstante ello y teniendo en cuenta la dinmica de funcionamiento del lecho fluidizado, dichas cenizas artificiales se pueden asimilar a las cenizas volantes extradas de los filtros mangas de la central, considerando tamao de partculas y nivel de combustin alcanzado. De acuerdo al supuesto mencionado, los resultados obtenidos han permitido clasificar las cenizas en funcin de la composicin expresada como xidos y determinar el posible uso de la misma en la industria cementera. La validez de emplear solamente la caracterizacin qumica para definir el posible uso de las cenizas en la fabricacin del clinker est expresado en [11], donde se afirma que: bajo condiciones de operacin aproximadamente constante, se puede considerar que la constitucin qumica de las materias primas es el factor principal que se debe tomar en cuenta al determinar la composicin mineralgica del clinker. Por lo que respecta a su empleo como agregado para la produccin de cementos mixtos, el mismo se infiere a partir de las limitaciones a ciertos componentes, fijadas por la normativa relativa a distintos tipos de cementos.

2. Metodologa Se realizaron dos campaas de muestreo de carbn, con el fin de cubrir posibles variaciones del mineral que alimentar a la Termocentral. En ese sentido, las campaas se diferenciaron por los frentes de carbn muestreados (en produccin o en preparacin) y por los sitios seleccionados. Para obtener muestras representativas en los frentes en produccin, se aplic la norma UNE- 32-102 parte 1: Toma de muestra en cinta transportadora parada [12].


La preparacin de las muestras fue realizada en el laboratorio de control de calidad de la empresa Yacimientos Carbonferos Fiscales, aplicando Norma UNE 32-102 parte 2 [12]. Las cenizas se obtuvieron mediante la combustin del carbn con el agregado de un 10 % de Carbonato de Calcio, porcentaje que se prev usar en la futura central [13]. Las variables qumicas se seleccionaron en correspondencia con aquellas necesarias para clasificar las cenizas como silicoaluminosas (Clase F) o silicocalcreas (Clase C), como as tambin con aquellas usadas en la industria cementera. El detalle de estas variables se muestra a continuacin.

Determinacin de Cenizas: Norma UNE 32-004

xidos en las cenizas: SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O, TiO2, P2O5, MnO, Cr2O3. ICP

Tanto la obtencin de las cenizas como las determinaciones qumicas, fueron realizadas en el Instituto de Investigaciones Mineras de la Universidad Nacional de San Juan (IIM UNSJ). Para cubrir el rango de variacin de temperaturas de combustin, la obtencin de cenizas a partir de las muestras de la primera campaa se realiz a menor temperatura que las de la segunda. Los valores obtenidos se contrastaron con aquellos necesarios para clasificar las cenizas segn [1], [2], con las composiciones tpicas de un crudo calcinado y con las de un clinker.

3. Resultados y Discusin Los resultados determinados para los principales xidos se pueden observar en la tabla 2. All se ha incluido la suma de xidos (S+A+F) como as tambin los valores promedios de cada xido.

Tabla 2.Contenido en xidos de las cenizas obtenidas en laboratorio

Campaa Muestra % CaO % MgO % SO3 % SiO2 %

Al2O3 %

Fe2O3 SiO2+ Al2O3+ Fe2O3

Primera

AP F73 7/7 14,8 1,5 0,6 48,4 19,87 5,49 73,76

FL73 6/7 14,3 1,6 0,56 49,88 19,7 5,28 74,86

FL71-P 15,5 1,2 1,3 45,66 14,36 10,9 70,92

FL71-PR 12,6 2,1 0,44 53,21 20,49 5,11 78,81

FL73 5/7 17,8 1,6 0,57 53,06 20,02 3,37 76,45

Segunda

M2 FL 74 6,5 1,8 0,58 66,33 11,82 3,02 81,17

M3 FL 74 4,2 1,8 0,44 68.84 8,64 3,49 80,97

M4 FL 74 2,5 1,3 0,69 67,26 7,63 2,64 77,53

M5 FL 74 3,6 1,7 0,98 67,01 11,78 3,21 82,00

Promedio 10,2 1,6 0,6 50,1 14,9 4,7 69,7

A partir del anlisis de la Tabla 2, se pueden detectar diferencias en la composicin de las cenizas entre la primera y la segunda campaa, sobre todo en el contenido de xido de calcio, slice y almina. Esto pone en evidencia la importancia de mantener una temperatura de combustin aproximadamente constante para obtener una composicin ms uniforme. Se observa que en una de las muestras (FL73 5/7) el contenido de CaO se aleja del lmite mximo definido para las cenizas clase F, silicoaluminosas (< 15 %). Una explicacin es que esto puede deberse a que la misma corresponde a un frente que an no est en produccin, y por


lo tanto la obtencin de muestras representativas es muy dificultosa [12]. Asimismo, tanto ste como el resto de los valores ms elevados en CaO se corresponden a las cenizas obtenidas por combustin del carbn a temperaturas menores a las que trabajar la central trmica. An as, se aprecia que en la mayoras de la muestras y en el promedio, el contenido de CaO est por debajo de dicho lmite. Los valores obtenidos para el MgO y la suma S + A + F de todas las muestras, como as tambin el valor promedio calculado para cada uno de ellos, indican que las cenizas obtenidas por combustin de carbn con caliza a escala laboratorio se corresponden con la clase F, silicoaluminosas. La tabla 3 muestra la composicin promedio de los xidos contenidos en las cenizas, en un crudo calcinado y en un clinker. A partir del anlisis de la misma, se infiere que dichas cenizas podrn aportar la slice necesaria para la formulacin de un crudo binario (ceniza y caliza). Asimismo podr usarse como agregado a la molienda del clinker para fabricar cemento portland compuesto o puzolnico, ya que la proporcin de SO3 es muy pequea en relacin a la que se estima para la cenizas provenientes de la combustin en lecho fluidizado.

Tabla 3. Composicin promedio de cenizas con las de un crudo calcinado y un clinker

xidos Cenizas Crudo calcinado Clinker CaO 10,2 60-69 65

SiO2 50,1 18-24 20

Al2O3 14,9 1-8 7

Fe2O3 4,7 1-8 3

MgO 1,6 < 5% 1,6

SO3 0,6 < 3% 1,9

4. Conclusiones Las cenizas obtenidas a escala laboratorio, mediante la combustin de carbn con caliza en proporcin idntica con las que trabajar la futura central termoelctrica de Ro Turbio, poseen una composicin qumica que permiti clasificarlas en esta instancia como cenizas silicoaluminosas (clase F). Esta composicin posibilita predecir en forma cualitativa, que las mismas podrn ser usadas en la industria cementera como materia prima para la fabricacin del clinker o para obtener cementos compuestos. Un aporte importante que servir de complemento al presente trabajo, es el clculo de la composicin del clinker a partir del porcentaje de xidos en las cenizas y con ello el clculo para la formulacin del crudo. A partir de estos datos se podr determinar la cantidad de caliza que es necesaria adicionar y el tipo de cemento que se desea o se puede obtener. Se abre as en la Argentina un nuevo campo de investigacin teniendo en cuenta que el uso de estos residuos para fabricar cementos u hormign disminuye el aporte de CO2 que hace dicha industria (1t. de cemento produce 1t. de CO2). Por otra parte hay asociado un beneficio econmico para la industria cementera, teniendo en cuenta que los gastos energticos ms importantes para la fabricacin del clinker son: extraer la caliza de la cantera, moler dicha piedra y calentar a una temperatura entre 1350 y 1450C (1 tonelada de cemento consume ms de 100 kw de electricidad).

Referencias Bibliogrficas


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Apuntes de Combustion[1]

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