Reporte - SICA Proyecto de Cementos del Norte, S.A. ... una mezcla de combustible 94% de petcoke y...
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Proyecto de Cementos del Norte, S.A.
“Sustitución de energía fósil por Recuperación de energía de
desechos”
Reporte
Por: ElectrowattEkono GmbH Centro Nacional de Producción
Hamburg, Germany más Limpia de Honduras
Dr.Ing. Heinrich Schug San Pedro Sula
Ing. Mario Mendez
Sept.2005
EED CENOSA Project: CNP + LH
Sustitución de Combustibles Fósiles por Energía Generada por Desechos
Contenido
1: Introducción:
2. Situación actual del tratamiento de desechos
3. Descripción del proceso
4. Consumo de energía
5. Sistema de quema
6. Porciones de desecho para sustitución
7. Disponibilidad de los desechos
8. Composición de los combustibles y desechos
9. Contenido de energía de los desechos y posibilidad de sustituir combustibles fósiles
10. Tratamiento y almacenamiento de desechos
11. Sustitución de combustibles fósiles
12. Desechos peligrosos
13. Impacto ambiental
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14. Resumen
1: Introducción:
CENOSA opera un horno cementero con producción promedio de 2,000 Mg/d. Combustibles
fósiles tales como carbón, búnker o gas natural son de uso predominante en las industrias
cementeras. Sin embargo, combustibles de baja calidad tales como Coque de petróleo y
combustibles derivados de desechos (tradicionalmente: aceites usados, solventes vencidos y
llantas usadas) han tenido demanda creciente en los últimos años. En el proceso de
producción de cemento es necesaria alta entrada de energía para calcinar la materia prima y
quemar el clínker de cemento. El proceso de calor necesario en CENOSA proviene de la
quema de petcoke, carbón bituminoso y aceite bunker (actualmente CENOSA esta quemando
una mezcla de combustible 94% de petcoke y 6% de carbón).
En la industria textil, agrícola, maderera y plástica se generan grandes cantidades de residuos,
los cuales son dispuestos en botaderos de basura. Estos residuos tienen parcialmente alto
contenido de energía, el cual puede ser usado para sustituir parte de la energía de los
combustibles fósiles.
Para proteger el medio ambiente CENOSA esta considerando la sustitución de energía fósil
por energía de los desechos. Este reporte muestra las posibilidades de sustitución e indica los
equipos necesarios.
2. Situación Actual del Tratamiento de Desechos
Residuos o desechos de procesos productivos que no son mercadeables y desechos domésticos
son dispuestos en botaderos de basura.
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Actualmente los desechos son dispuestos en botaderos de basura no preparados para la
protección del medio ambiente. Esto significa que los botaderos de basura no tienen sus
fondos sellados para proteger el suelo y la capa freática contra la contaminación de los
desechos peligrosos tales como aceites, metales pesados y componentes orgánicos peligrosos.
Por otro lado no se protege el aire ya que los desechos se descomponen o se queman sin
depuración de los gases o componentes volátiles.
La mayor parte de los botaderos de basura están localizados cerca de los caminos o zonas
residenciales. No existe regulación alguna sobre la operación de tales lugares, así que los
desechos son dispuestos por los ciudadanos o las industrias sin tratamiento regular en los
sitios mismos. A menudo los desechos son esparcidos por el viento o comidos por animales.
Botaderos de basura operando de esta manera causarán contaminación del suelo, capa freática
y aire por los materiales peligrosos.
3. Descripción del Proceso
CENOSA opera una planta cementera suministrada por FL Smidth de Dinamarca. Con
algunas modificaciones de ingeniería hechas desde 1999 por PMT Zyklontechnik GmbH, la
planta es capaz de producir hasta 2,200 Mg/d de clínker, quemando fuel oil o carbón
bituminoso. Sin embargo, desde el año pasado la tasa de producción decreció a 2,000 Mg/d,
porque el combustible usado es una mezcla de petcoke con carbón. El equipo de control de la
planta fue mejorado con un sistema de control automático proveído por FLS Automation.
Los principales elementos de que consta la planta son:
Trituradora de martillos.
Almacén pre homogenizador de material prima.
Molino de crudo (entrada de materias primas).
Silo homogenizador para harina cruda.
Torre de precalentamiento.
Combustión secundaria precalcinador.
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Horno rotativo.
Quemador principal.
Enfriador de satélites.
Quebradora de clinker.
Molino de carbón.
Filtro de mangas filtrantes.
Almacén de cemento y clínker.
Molino de cemento.
La materia prima de entrada (caliza, esquisto) son obtenidos de canteras abiertas así como la
broza de hierro. La materia prima es transportada a la planta para ser fragmentada en la
trituradora de martillos individualmente, siguiendo después del transporte que va al almacén
de prehomogenización para apilamiento circular según el método Chevron. Un transportador
de paletas de arrastre (recuperador), lleva el material a la tolva de descarga colocada debajo
del centro de la columna del apilador del almacén. Después, cada materia prima es dosificada
por una báscula pesadora descargando en una banda transportadora que alimenta el molino de
crudo en la cual ellos son molidos y mezclados totalmente. La harina cruda obtenida es
transportada al silo de homogenización. Una vez que la harina cruda ha sido homogenizada,
es transportada a la torre de precalentamiento. El precalentador es un ILCE de 4 etapas,
diseñado con dos ciclones en lo alto. La alimentación del horno rotativo es transportada a la
parte superior de la etapa II y alimentada al precalentador. La alimentación del horno rotativo
pasa por el precalentador para que la harina cruda sea descarbonatada antes de entrar el horno
rotativo rotatorio. Cruzando el horno rotativo las material primas son calentadas hasta
derretirse o punto de sinterización. Al derretirse o sinterizarse ellos forman nuevos
compuestos, los cuales se llaman clínker. El clínker deja el horno rotativo pasando el enfriador
planetario para ser fragmentado. Lugo se guarda en el almacén de clínker.
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Vista del horno rotativo de cemento con enfriador plantario.
La temperatura necesaria de proceso es provista por el quemador principal a la salida del
horno rotativo. En este quemador pet coke, carbón bituminoso y aceite bunker pueden ser
quemados. Regularmente una mezcla de petcoke y carbón es usada. El flujo de gases deja el
quemador a una temperatura aproximada de 2000 ºC y son enfriados por la material prima a
1100°C en la entrada del horno rotativo. Al dejar la entrada del horno rotativo el flujo de
gases calientes entra al precalentador a través de una cámara secundaria de combustión. El
precalentador es de tipo de ciclón de 4 etapas en el cual la material prima fría es precalentada
y calcinada. El flujo de gases es enfriado por la harina cruda desde 1100°C hasta cerca de 350
°C. En la cámara secundaria de combustión combustible adicional puede ser quemado para
sostener la necesaria temperatura para precalentar la harina cruda.
Las principales emanaciones de la producción de cemento provienen del sistema del horno
rotativo y son descargadas al aire. Esto proviene de reacciones físicas y químicas de la materia
prima y los combustibles. Los principales elementos presentes en los gases de escape son
nitrógeno del aire en la combustión, CO2 de la calcinación y quema de combustible, vapor de
agua de la combustión, secamiento y exceso de oxigeno. En todos los hornos rotativos los
materiales sólidos se mueven contracorriente con respecto a los gases calientes de
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combustión. Este flujo contracorriente de la materia prima afecta la liberación de
contaminantes, ya que la materia prima actúa como absorbente.
Muchos componentes que resultan de la quema de combustibles o de la transformación de
material prima en clínker, permanecen en la fase de gas hasta ser absorbidos o se condensen
en la harina cruda. Esto en cambio depende de su posición dentro del sistema del horno
rotativo. Cabe mencionar que el material que deja la fase de calcinación en el proceso tiene
alto contenido de oxido de calcio y por consecuencia alta capacidad de absorber especies
ácidas tales como HCl, HF y SO2.
La presencia de cloro es el factor más crítico en el proceso térmico. El cloro puede reaccionar
con el calcio. En este caso CaCl2 se formará en el clinker. La mayor parte del CaCl2
reaccionará con el sodio o potasio formando NaCl or KCl. Estas sales se subliman en la zona
de calcinación y recristalizan en la zona de descarbonatación, lo que resulta en un ciclo
interno del cloro. A medida que la concentración de cloro crece podría bloquear los tubos del
ciclón, provocando parada total del horno rotativo. Para superar esto, se debe monitorear
cuidadosamente el contenido de cloro. Si hubiera alto contenido de cloro en el combustible
sustituto, la entrada de este combustible se debe reducir o un tubo de desvío se deberá
construir para retirar de los gases NaCl y KCl. El flujo de gases salientes deja el precalentador
y son desempolvados por el filtro de mangas. El flujo de gases ya limpio deja la planta a
través de la chimenea.
4. Consumo de Energía
Para producir clínker a partir de harina cruda se necesitan 850 kcal ( 3558 kJ) por kilogramo
de clínker. Esta cantidad de energía es proveída por la quema de petcoke, carbón bituminoso o
aceite bunker. Estos combustibles son llamados combustibles fósiles.
CENOSA produce 83 Mg/h de clinker de 185 Mg/h de harina cruda . Para producir esta
cantidad de clínker se necesita una entrada energética de 295,314 MJ/h. Para proveer el
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proceso calorífico necesario por ejemplo, cerca de 8.89.0 Mg/h de mezcla combustible de
petcoke y carbón bituminoso deberá ser quemada.
Experiencias con la producción de cemento en Europa muestran que es posible sustituir hasta
un 32% de energía fósil por desechos con alto poder calorífico, y hasta un 20% con llantas
usadas.
CENOSA se prepara para sustituir de un 10 a 20 % de combustible fósil por desechos.
5. Sistema de quema
En tres puntos del proceso, energía puede ser introducida al horno cementero rotativo o en el
sistema precalentador.
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Layout de la planta
Quemador principal
Normalmente en el horno cementero rotativo de CENOSA, 100% de los combustibles son
alimentados por el quemador principal a la salida del mismo. Los combustibles
predominantes son aceite bunker, carbón bituminoso y petcoke. La temperatura en el horno
rotativo decrece desde 2000 °C a temperatura de flama en el quemador principal hasta 1100
°C a la entrada del horno. El horno tiene un largo de 68 m y debido a su diseño el tiempo de
residencia del flujo de gases en el horno es cerca de 10s, el proceso de cemento deberá ser
operado con exceso de aire, debido a reacciones oxidantes en la producción de clínker. A la
entrada del horno el contenido de oxigeno es cerca de 4.5%. En el quemador principal todo
tipo de desechos dentro del punto 6 pueden ser quemados. Pero desechos sólidos necesitan ser
fragmentados en pequeños pedazos de tal manera que puedan ser esparcidos en el flujo de
gases. Todos los componentes orgánicos serán destruidos completamente debido altas
temperaturas, oxigeno adecuado y largos periodos de residencia en el horno rotativo.
Combustion secundaria
A la entrada de la harina cruda en el horno rotativo, el flujo de gases deja el horno y entra al
precalentador. La temperatura preferida del flujo de gases es 1100 °C – 1000 °C. A este punto
del proceso adicional, energía puede ser introducida al precalentador para mantener la
temperatura necesaria de proceso. Usualmente hasta un 10% de los combustibles pueden ser
alimentados en la cámara secundaria de combustión. El combustible predominante usado en
CENOSA en este punto es carbón pulverizado. Al final de la cuarta etapa ciclónica
(FLSmidth enumera la más alta etapa con número I, y la más baja con número IV) la
temperatura del flujo de gases es cerca de 850 °C, debido al diseño de la planta el tiempo de
residencia del flujo de gases hasta este punto es cerca de 2s. El proceso es realizado con
exceso de aire.
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Debido a las temperaturas del flujo de gases a la entrada del precalcinador y el contenido de
oxígeno, los desechos arderán espontáneamente y se quemarán completamente. En la medida
que las temperaturas del flujo de gases bajan de 1100°C, materiales peligrosos como aceites
de transformadores con PCB no pueden ser quemados a este punto para obtener completa
destrucción de los materiales orgánicos peligrosos. Estos desechos pueden ser solamente
introducidos en el quemador principal por las altas temperaturas (hasta 2000 °C) y los
periodos largos de tiempo de residencia en el horno.
Entrada al Horno Rotativo
Mientras que el combustible estándar es alimentado en el sistema del horno por el quemador
principal o en cámara de combustión secundaria, desechos sólidos deberán ser alimentados en
un tercer punto del sistema. Desechos sólidos con tamaño de partículas grandes, tales como
chips de madera o llantas pedaceadas, puede ser alimentado en la entrada del horno rotativo
junto a la harina cruda caliente destinada al sistema.
6. Porciones de desecho para sustitución
Hay tres grupos de desechos que pueden ser quemados
a) desecho sólido
b) desecho líquido
c) desecho pastoso
La composición química de los desechos; contenidos de Cl, S, Ca, Si, Al, Fe , metales pesados
y sus valores de poder calorífico, son de interés primordial en la sustitución de combustibles
fósiles. Los valores de poder calorífico deberán de ser tan altos como el necesario para
mantener la entrada de calor en el proceso del cemento. La composición química (Cl, S,
metales pesados) deberá ser compatible con el cemento. El tamaño del grano deberá ser tan
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pequeño como el necesario para una combustión completa. Por otro lado, debido a la
protección del medio ambiente se vuelve necesario la quema de desechos especiales, los que
podrían ser peligrosos al medio ambiente.
Considerando lo anterior las siguientes fracciones de desechos son de interés en la sustitución
de combustibles fósiles:
a) Combustibles sólidos
Plásticos (botellas, drones, barriles, envolturas, etc)
Papel
Madera (astillas, aserrín)
Llantas
Hules
Suelos orgánicos contaminados
b) Combustibles liquidos
Desechos líquidos
Aceites usados
Líquido de frenos
Aceite para transformadores
Aceite hidráulico
Solventes orgánicos
Pigmentos
Líquidos conteniendo PCB o PCP
c) Desechos pastosos
Lodos orgánicos contaminados
Pigmentos
Lodo de papel
Lodos de aserrín
La disponibilidad, la cantidad y los costos de pretratamiento y almacenamiento de los
desechos son decisivos para una operación económica.
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7. Disponibilidad del desecho
Después de investigación hecha por CENOSA es sabido que a este momento cerca de 12,760
Mg/año de plásticos, textiles y madera son desechados en botaderos de basura. Para estos
desechos no existe uso posterior.
De esta investigación se espera que cerca de 710 Mg/año de madera descartada pueda ser
reunida. En su mayoría son residuos de producción de muebles y aserrín. Procedente de la
agricultura e industria de plásticos existen cerca de 1,200 Mg/año y de la industria textil
11,000 Mg/año están disponibles.
Un adicional de 6,980 Mg/año de los desechos arriba mencionados es vendido para
reutilizarlos.
8. Composición de los combustibles y desechos
Unidad pet cokeAceite
bunker carbón madera PE textiles
Mezcla
de
plásticos Carbón W% 87.6 84.5 68 47.2 85.2 4450 ~62Hidrógeno W% 3.8 10.8 4.5 6.5 14.2Azufre W% 5.1 3.2 0.6 0 – 0.3 <0.1Cloro W% 00.1 00.4 0.28.5Nitrógeno W% 1.5 <0.1Oxigeno W% 1.2 8.4 45.4Humedad W% 0.6 2.3 37 – 0 1040 1540Ceniza W% 0.2 16.5 0 – 6 0.4 213 1320Poder
Calor
Neto
MJ/kg 34.5 40 32.310.5 –
27.7~43 ~1524 ~2232
Materia
VolátilW% 2030 7585 8598
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Los datos químicos de la tabla arriba mencionada muestran un rango amplio en el contenido
de los elementos comparado al de los combustibles fósiles.
La cantidad de cloro y azufre en los desechos disponibles están en el mismo rango del de los
combustibles fósiles.
Mientras que la ceniza, metales pesados y azufre llegan a formar parte del clínker, el poder
calorífico, material volátil y tamaño de las partículas tienen influencia en las condiciones de
quema. Altas cantidades de materia volátil hacen que las partículas ardan al entrar el horno
rotatorio. Esto significa que la llama del quemador durará menos que la llama proveniente de
la quema petcoke o carbón.
El contenido de cloro de los desechos ha de ser monitoreado cuidadosamente, para más altos
contenidos de cloro como en las mezclas estándar de combustibles, el contenido de sodio y
potasio podría incrementarse en un ciclo cerrado. Estas sales podrían precipitar como
incrustaciones de sal en la instalación, lo cual podría conducir a bloqueos.
Flujo de diferentes elementos en horno rotativo cementero.
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9. Contenido de energía de los desechos y posibilidades de sustitución por
combustibles fósiles.
Así como lo muestra la tabla en el punto 8 el valor calorífico de los residuos varía en un rango
amplio. Para el cálculo de las tasas promedio de sustitución, cifras son asumidas para los
poderes caloríficos de los mencionados desechos.
Combustible Mezcla
Sustituta
Estándar
Sustituto
madera
Mezcla
Sustituta
textiles/
plásticos
Sustituto
textiles
Sustituto
plásticos
Sustituto
PE
Pet coke
CV. 33,700 kJ/kg
Razón de
sustitución
kg/kg
21,980
1.53
19,100
1.76
26,074
1.29
19,500
1.73
32,000
1.05
43,000
0.78
Carbón
bituminoso
CV. 25,452 kJ/kg
Razón de
sustitución
kg/kg
21,980
1.16
19,100
1.33
26,074
0.83
19,500
1.31
32,000
0.79
43,000
0.59
Bunker oil
CV. 40,000 kJ/kg
Razón de
sustitución
kg/kg
21,980
1.82
19,100
2.10
26,074
1.53
19,500
2.05
32,000
1.25
43,000
0.93
Tasa ó razón de sustitución es definida como un kilo de combustible fósil sustituido por x
kilos de desechos combustibles.
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La mezcla estándar es la procedente de tres desechos, los cuales están disponibles al
momento.
Para la sustitución de combustibles fósiles hay diferentes posibilidades debido a la
composición del combustible o la mezcla de combustibles dependiendo de la disponibilidad
temporal.
Los desechos sean entregados en proporciones conocidas (mezcla estándar)
Solamente plásticos y textiles estén disponibles.
Solamente textiles están disponibles.
Por la variación temporal de la mezcla de desechos, no hay afirmación definitiva de mezcla
real posible.
El uso de residuos como sustitutos de combustibles requerirá exceso de aire un poco arriba del
usado por los combustibles fósiles. El consumo específico de energía por kilo de clínker
puede también subir. Cerca de un 10 a 20% de combustible fósil puede ser sustituido en este
momento.
En plantas cementeras de Europa hasta un 32% de la energía necesitada es provista por
desechos (madera, textiles, plásticos, papel) y hasta 20% por llantas. Llantas usadas tienen un
poder calorífico de 36,000 kJ/kg aprox, lo cual significa que con 1 kg de llantas 1.07 kg de pet
coke o 1.41 kg de carbón pueden ser sustituidos.
10. Tratamiento y almacenamiento de desechos
De la investigación hecha por CENOSA es sabido que cerca de 12,760 Mg/año de combustible
sólido están disponibles para sustitución de combustible fósil. La principal fracción de
desechos son textiles con 11,000 Mg/año, plásticos con 1,200 Mg/año y madera con 710
Mg/año (Informe año 2,003)
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Desechos sólidos usualmente son entregados por camiones en sus lugares de almacenamiento.
Madera, plásticos y textiles deberán ser almacenados en lugar cerrado debido al viento y
lluvia. De cualquier tipo de desechos una mezcla de alimentación puede ser preparada. Para la
quema de combustibles sólidos en un horno rotativo cementero es necesario cortarlos en
pedazos pequeños con diámetro menor de 20 mm. Para proteger las cuchillas de las maquinas
cortadoras los metales deben retirarse primero. Normalmente los plásticos, textiles y maderas
son conducidos con transportador neumático a la quema.
Equipo necesario:
Lugar de almacenaje para diferentes fracciones
Separación de metales
Triturador de uno o dos pasos
Silo de almacenamiento con diferentes compartimientos.
Sistema de mezcla
Sistemas de transporte
Equipo de dosificación
Sistema de alimentación al quemador principal
Sistema de alimentación a la cámara del precalcinador
Desechos especiales como suelos contaminados (con productos de hidrocarburos) pueden ser
directamente alimentados al horno junto con la mezcla de materias primas.
Condiciones de diseño para pretratamiento
Desecho sólido
Es asumido que con un tiempo de operación de 300 Días por año del horno rotativo cementero
cerca de 43 Mg/d o 1.8 Mg/h de combustible sustituto son dispuestos. Sobre lo mismo se
asume que esos desechos son entregados 250 días al año. Esto significa que el desecho será
entregado por 4 a 5 camiones diariamente. Para el manejo de entregas un área de aceptación y
almacenaje deberá ser proveída. El área de almacenaje deberá protegerse contra viento y
lluvia.
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La capacidad del área de almacenaje depende de la cantidad de desecho esperada.
Madera es el desecho menos disponible. Asumiendo que la madera es entregada por camión
con capacidad máxima de 20 Mg y peso especifico de 200 a 500 kg/ m³, se necesitará
capacidad de almacenaje de 150 m³.
La cantidad entregada de plásticos es de 1,200 Mg/año. Se espera que este desecho sea
entregado por camiones con máxima capacidad de 20 Mg. Con peso específico de 100 a 500
kg/m³ la capacidad de almacenaje de 200 m³ será suficiente.
La cantidad probable de textiles que se entregará será de 11,000 Mg/año. El peso específico
será de 80 a 200 kg/m³, y el volumen de almacenaje necesario 1, 000 m³. Por definición de
volumen de almacenamiento se asume que a lo máximo 3 camiones entregarán una fracción
de desecho por día.
Es para recordar que los desechos deberán ser entregados en camiones con o sin mecanismo
de descarga por volteo, así que el área seleccionada deberá estar preparada para recibir todo
tipo de camiones. Por condiciones de quema, es necesario recordar que madera y plástico
están disponibles temporalmente. De los desechos, una mezcla de combustibles debe ser
preparada antes, esto puede ser hecho por una excavadora.
Esta excavadora puede alimentar al mismo tiempo el sistema triturador o molino de cuchillas,
el cual es necesario para reducir las partículas a menos de 20 mm. La capacidad del sistema
triturador deberá ser el doble de la capacidad continua debido a revisión y mantenimiento.
Todos lo desechos deberán ser entregados en el turno de día, de tal manera que haya un
responsable en el área de aceptación de descarga de camiones. En promedio de 3 a10
camiones serán descargados en el día. El descargador contará con tiempo suficiente para
mezclar el menú de alimentación y servir al sistema triturador. Por consecuencia el sistema
triturador será diseñado con capacidad tres veces más grande que la capacidad horaria. Antes
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de triturar, las piezas metálicas deberán ser separadas para evitar quiebra de cuchillas en el
triturador.
El material triturado será almacenado en un silo intermedio, con un turno de operación del
triturador; dos silos con volumen de 150m³ cada uno será suficiente. Atención especial en la
construcción de las descargas del silo para evitar puenteo de los desechos dentro del silo. El
desecho puede ser tomado por un transportador de tornillo helicoidal hacia una banda
transportadora o sistema de transporte neumático. Transportar el material triturado sólo con
banda transportadora no es posible con lluvia y viento. En el caso que se use un transportador
de banda esta debe estar bajo techo o cubierta.
Cerca del quemador un silo alimentador tomará control del desecho. Este silo tendrá
capacidad de 1 a 3 horas. Al usar un sistema de dosificación el desecho entrará en el
quemador.
Vista lateral de elevación de un sistema de almacenamiento extendido con cuatro
compartimientos para diferentes tipos de desecho incluyendo triturador y sistema de
transporte.
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Vista de elevación seccional del sistema de almacenamiento
Vista de planta de un sistema extendido de almacenamiento
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Vista del transportador de banda en CENOSA
El primer paso para realizar la preparación de combustible secundario y alimentar al sistema,
este transportador puede ser usado para transportar combustible secundario desde el lugar de
tratamiento hacia el conducto de alimentación hacia la combustión secundaria.
Vista de la estación de banda alimentadora
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Transportador de tornillo para alimentar la banda transportadora.
Por este transportador de tornillo el transportador de banda puede ser alimentado con
desechos sólidos secundarios triturados. Cambiando la velocidad del tornillo posibilita
dosificar el desecho combustible.
Desechos líquidos
En el futuro podría ser interesante quemar desechos líquidos. Ellos pueden ser alimentados al
quemador principal con un sistema similar al del aceite bunker. Líquidos y desechos pastosos
son almacenados en tanques. Líquidos que no reaccionan entre ellos pueden ser almacenados
en un tanque. Todos los demás líquidos o desechos pastosos deben ser guardados en tanques
especiales. Desechos líquidos o pastosos son alimentados al quemador usando vapor o aire.
Para proteger las bombas y boquillas de aspersión, piedras y piezas de metal deben ser
removidos.
Equipo necesario
Tanques de almacenamiento
Separador de piedras y piezas metálicas (malla, criba)
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Filtro de particulars finas
Bombas
Equipo dosificador
Tubería
Sistema alimentador del quemador
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11. Sustitución de combustible fósil
En la planta de CENOSA hay dos lugares donde combustibles fósiles pueden ser sustituidos
por desechos.
El primer lugar es el quemador principal en la salida del horno rotativo. La temperatura de
quema en este punto es cerca de 2,000 °C.. El tiempo de residencia del flujo de gases en el
horno rotativo es cerca de 10 s, la temperatura se salida de los gases es cerca de 1,100 °C. En
la etapa del cuarto ciclón la temperatura de salida de los gases será cercana a 850 °C. El
tiempo de residencia hasta este punto será más de 2s. Hasta ahora CENOSA esta quemado
solamente combustible fósil.
Con la cantidad de desecho disponible cerca de 10 a 15% de combustible fósil puede ser
sustituido.
Siempre que los desechos disponibles no sean tóxicos o peligrosos, ellos pueden ser
alimentados en ambas partes del proceso.
Quemador principal
Madera triturada, textiles y plásticos pueden ser alimentados al quemador principal. Debido al
alto contenido de materia volátil los combustibles secundarios arderán de una vez. Por esto la
flama será más corta comparada con los combustibles fósiles. Esta provocará temperaturas
más altas a la salida del horno rotativo. Así que, el quemador principal necesita ser adaptado
al nuevo combustible para conseguir las condiciones de quema óptimas.
Desechos combustibles preferidos.
Plásticos.
Textiles.
Lodos secos de aguas residuales.
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ROTAFLAM® type KO (coal and oil operation)
Coal: 9.855 kg / hHeavy fuel oil: 6.300 kg / hPlastics (Tetrapak): 3.500 kg / h
ROTAFLAM® burner KOS 93 MW for HOLCIM Untervaz Zement Plant
Waste oil: 6.750 kg / hAnimal powder: 3.000 kg / hDistillation residuals: 1.500 kg / hContaminated water: 500 kg / h
Solid wastesLiquid wastes
Heavy fuel oilFlame stabilizer
Ejemplo de quemador PILLARD para combustible Standard y desechos combustibles
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La experiencia de PILLARD de diferentes plantas cementeras muestra que la quema de
desechos es posible sin afectar el medio ambiente
Combustión secundaria
También en este lugar los desechos combustibles mencionados arderán de una vez debido a
las altas temperaturas de los gases y al exceso de contenido de oxigeno.
Desechos combustibles preferidos:
Llantas usadas
Lodos escurridos de planta de tratamiento
Papel
Lodos aceitosos
Plásticos
Textiles
En cualquier caso será necesario hacer pruebas de quema antes de arrancar la planta con
combustibles sustitutos para encontrar las condiciones correctas de operación.
12. Desechos peligrosos
La incineración de desechos peligrosos es un proceso de ingeniería que emplea oxidación
térmica a alta temperatura (normalmente 900 °C o más alta) para destruir fracciones orgánicas
de los desechos. Las temperaturas mínimas necesarias para incineración varían desde 875 °C
para incineración de desechos municipales hasta más de 1100 °C para incineración de
compuestos estables orgánicos. El tiempo de residencia deberá ser no menos de 2s en alta
temperatura.
La producción de clínker para cemento en hornos rotativos cementeros también incluye altas
temperaturas de combustión. En comparación con otros tipos de incineradores de desechos
peligrosos, los hornos cementeros rotativos poseen características que los hacen ser una
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tecnología eficiente en la destrucción de desechos de alta toxicidad y estables orgánicamente.
Las temperaturas de combustión y tiempos de residencia en los hornos rotativos cementeros
exceden la de los incineradores comerciales de desechos peligrosos. Estas altas temperaturas
de combustión y largos tiempos de residencia, junto con fuerte turbulencia encontrada en los
hornos cementeros rotativos, aseguran la completa destrucción de compuestos orgánicos muy
estables.
Desechos peligrosos como los aceites de transformadores usados, aceites hidráulicos, aceites
de freno, solventes orgánicos etc. pueden ser quemados en el horno rotativo debido a las altas
temperaturas y oxigeno suficiente.
Considerando el largo tiempo de residencia en el horno rotativo aun compuestos orgánicos
como PCB, PCP o dioxinas y Furanos pueden ser destruidos completamente. Estos desechos
normalmente tienen alto poder calorífico y pueden ser usados para sustituir combustibles
fósiles. Debido a su toxicidad o componentes peligrosos estos desechos solamente pueden ser
quemados en el quemador principal.
Fuel pressure: 812 barAtomizing air: 6 8 barMax. particle size: 6 mm
Liquid waste atomization
13 years of continuous improvement
Fotografía del quemador para líquidos de Pillard
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En el horno cementero rotativo de CENOSA un quemador PILLARD es usado. El suplidor
del quemador tiene muchos años de experiencia con la quema de desechos peligrosos en
hornos cementeros rotativos y es capaz de apoyar a CENOSA con la mejor tecnología
disponible.
13. Impacto en el Ambiente
La quema de combustibles secundarios en un horno cementero rotativo destruirá
completamente compuestos orgánicos. Los responsables de esta destrucción son las altas
temperaturas, el largo periodo de residencia y el exceso de oxigeno. Mientras que las cenizas
de los combustibles secundarios son parte del clínker, los otros elementos son transformados
en óxidos gaseosos o componentes en el flujo de gases.
Emisiones:
Dioxido de Carbono (CO2)
CO2 es producido en la calcinación de caliza y quema de combustibles. Estas emisiones son
dependientes del proceso y no se pueden evitar. Dióxido de carbono no es dañino a los seres
humanos y naturaleza, pero afecta la capa de ozono y causa efectos de invernadero.
Monóxido de carbono y carbon organico total(TOC)
Remanentes orgánicos en la materia prima de la historia de la tierra (partes de organismos y
plantas) se decompondrán con el precalentamiento de la materia prima. En consecuencia
emisiones de CO y TOC pueden ocurrir. Aun en operación regular del horno rotativo, CO no
puede ser un estándar en la calidad del proceso de combustión. En cualquier caso extremo
altas temperaturas de quema y tiempos de residencia combinados con exceso de oxigeno
asegurará la quema completa de los combustibles alimentados.
Dioxinas y furanos(PCDD/F)
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Debido a las condiciones de combustión mencionadas dentro del proceso de clínker dioxinas y
furanos serán completamente destruidas. Experiencias con hornos rotativos cementeros en
Europa revela que la “novo síntesis” no ocurrirá.
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Óxidos de Nitrógeno
La producción de clínker es un proceso en alta temperatura con temperaturas de flama hasta
2,000 °C en la zona de sinterización, y hasta 1,450 °C de temperatura del material. Debido a
la calidad del producto el proceso debe ser operado con exceso de oxigeno. Dentro de estas
condiciones de proceso del oxigeno y nitrógeno del aire se forma NOx inevitablemente. Este
NOx es llamado NOx térmico. Comparado con otros procesos de quema NOx formado del
nitrógeno del combustible es pequeño.
Dióxido de Azufre(SO2)
Azufre es alimentado con la materia prima y combustibles en el proceso del cemento y
reacciona en presencia de oxigeno formando (SO2). Dentro del sistema del horno rotativo
SO2 necesariamente reacciona con álcalis (K2O, Na2O) formando sulfatos alcalinos (K2SO4,
Na2SO4) los cuales forman parte del clínker. Componentes sulfurosos especiales tales como
Pirita y Marcasita alimentados junto a la harina cruda en el precalentador se evaporarán con
temperaturas cercanas a los 350 °C formando SO2, el cual será expulsado. Contrario a los
sulfuros de la materia prima, sulfuros de los combustibles no incrementarán las emisiones de
SO2, por esto azufre reacciona con los álcalis dentro del horno rotativo.
Componentes clorinados y fluronados
Compuestos de cloro y flúor son alimentados con la materia prima y los combustibles dentro
del horno rotativo. Los cloruros se volatizan en la zona de quema se condensan en las partes
más frías para formar anillos dentro del horno rotativo o formaciones de pegaduras los cuales
desequilibran el desempeño de la planta. En hornos con precalentador hasta un 99% de los
cloruros son recapturados por la alimentación entrante, en la zona de calcinación la
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concentración de cloruro en este punto podría ser extremamente alta (>1%) comparada con la
de la materia prima alimentada (~ 0.01%).
Ya que la mayor parte de los cloruros son volátiles, la cantidad retenida en el clínker es
extremamente pequeña (< 0.03%). Consecuentemente el nivel de álcalis en el clínker es
también reducido. La influencia combinada de cloruros alcalinos en las propiedades del
cemento es por tanto considerada como insignificante.
En desperdicios derivados de combustibles tales como desperdicios de aceites contaminados
con cloro, hidrocarburos clorinados, desechos de llantas, cloruros aparecen en formas
diferentes en concentraciones más altas y causan problemas serios operacionales aun con
conducto de desvío (by pass).
Mientras que el flúor es ligado al clínker, en el caso de altas entradas de cloro, ciclos de cloro
dentro del proceso pueden aparecer. Esto por razones técnicas es indeseable. Para evitar esto
las entradas de cloro deben ser limitadas. Dentro de estas condiciones las emisiones de cloro y
flúor están por debajo de los limites regulatorios.
En CENOSA el flúor viene en forma de fluoruro de calcio(CaF2) llamado también “Fluorita”
el cual es usado como mineralizador y fundente , siendo agregado a la harina cruda. Sprung
and von Seebach (1968) reportan que entre un 88 y 98% de los fluoruros son incorporados en
el clínker, y solamente una pequeña fracción reporta a CKD (Cement Kiln Dust ~ Polvo de
horno de cemento), probablemente como CaF2. Emisiones de flúor fueron reportadas tan
bajas como (0.0091.42 mg F1/Nm3) no necesariamente debido a la volatilidad del flúor,
pero probablemente a la eficiencia de los precipitadotes.
Metales pesados
Metales pesados son alimentados con la materia prima y el combustible en el horno rotativo.
Debido a su comportamiento metales pesados estarán ligados a la matriz del clínker
completamente, metales volátiles ligeros como el mercurio y Talio estarán parcialmente
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ligados al clínker, mientras que la otra parte será emitida. Para evitar sobrepasar los límites en
emisiones, la entrada de tales metales pesados necesita ser limitada.
14. Resumen
CENOSA esta operando un horno rotativo con producción de cemento de 2,000 Mg/d. Hasta
hoy ellos alimentan el proceso con energía fósil para mantener las temperaturas de proceso
necesarias. CENOSA requerirá licencia para usar combustible secundario como sustituto de
energía fósil.
CENOSA realizó una investigación para identificar la producción de residuos y
disponibilidad de desechos. Esta investigación arrojo que madera, textiles y plásticos están
disponibles como combustibles secundarios.
El uso de combustibles secundarios tendrá influencia en la operación del horno rotativo ya
descrito anteriormente. Materiales no peligrosos pueden ser alimentados en ambos sistemas
de combustión del horno rotativo sin influenciar en los límites de las emisiones, porque los
componentes de los desechos son comparables a los existentes en los combustibles fósiles. El
quemador principal en la salida del horno rotativo debe ser adaptado a recibir combustible
secundario debido a diferente comportamiento en la quema.
Desechos peligrosos, como aceites de transformadores (conteniendo PCB, PCP etc.), deben
ser quemados por el quemador principal. Considerando altas temperaturas dentro del horno,
largo tiempo de residencia y el exceso de oxigeno, todos los materiales orgánicos peligrosos
deben seguramente ser destruidos, tal como lo indican experiencias en Europa. El gran largo
del horno rotativo y la cantidad de material caliente presente produce alta estabilidad térmica.
Aun si el horno cementero rotativo fuera forzado a un paro de emergencia por falta de
combustible primario o falla severa, todos los desechos peligrosos y no peligrosos, serán
destruidos completamente. En este caso de paro de horno la alimentación de desechos debe
pararse.
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Desde el comienzo de la década de los 80, llantas y aceites usados son quemados como
combustibles secundarios en los hornos cementeros rotativos en Europa. Desde la mitad de la
década del 90 plásticos, textiles, maderas provenientes de la producción y desechos
seleccionados sustituyen hasta un 32% de los combustibles fósiles.
El uso de los ya descritos combustibles secundarios no es un decrecimiento en la calidad del
cemento ni un incremento en las emisiones peligrosas debido a su composición química
semejante con la de los combustibles fósiles.
Con el uso de combustibles secundarios el ambiente será beneficiado en la cantidad de
desechos que no serán dispuestos en los botaderos de basura. Por otro lado, los recursos
naturales serán preservados.
Los resultados de las medidas existentes concernientes al uso de combustibles alternativos y
desechos en Alemania, Suiza y Austria han probado que los contaminantes se queman con
toda seguridad, si los líquidos son filtrados y los desechos derivados de combustible son
esparcidos en el flujo de gases. Con respecto a las emisiones de compuestos clorados tales con
PCB y dioxinas los valores de emisión en los hornos rotativos de cemento pueden ser
alcanzados en otros procesos de combustión únicamente a través de equipos de depuración
posterior en gran escala.
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