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Diseño de una instalación para la producción de 500.000 T/año de cemento Portland P PR RO OY YE EC CT TO O F FI IN NA AL L D DE E C CA AR RR RE ER RA A A Au ut to or r: : Á Ál lv va ar ro o J Jo or rg ge e A Ar rn na al l M Ma añ ña as s D Di ir re ec ct to or ra a: : E Ev va a F Fr ra an nc cé és s P Pé ér re ez z E Es sp pe ec ci ia al li id da ad d: : Q Qu uí ím mi ic ca a i in nd du us st tr ri ia al l D Di ic ci ie em mb br re e 2 20 01 10 0 Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 2 Índice 1. Objetivo del proyecto ............................................................................... 9 2. Definición e historia del cemento ........................................................... 10 3. Clasificación de los cementos ................................................................ 14 3.1 Tipo, nombre y aplicación .................................................................. 14 3.1.1 Tipo I ............................................................................................. 15 3.1.2 Tipo II ............................................................................................ 15 3.1.3 Tipo III ........................................................................................... 15 3.1.4 Tipo IV .......................................................................................... 15 3.2. Cementos Hidráulicos Mezclados ......................................................... 16 3.2.1 Tipo IS .......................................................................................... 16 3.2.2 Tipo IP y Tipo P ............................................................................ 17 3.2.3 Tipo S ........................................................................................... 17 3.2.4 Tipo I (PM) .................................................................................... 17 3.2.5 Tipo I (SM) .................................................................................... 18 3.3 Cementos Especiales ........................................................................ 18 3.3.1 Cementos para Pozos Petroleros.................................................. 18 3.3.2 Cementos Plásticos ...................................................................... 18 3.3.3 Cementos Portland Impermeabilizados ......................................... 19 3.4 Otros Tipos de Cementos .................................................................. 19 3.4.1 Cementos de Albañilería ............................................................... 19 3.4.2 Cementos Expansivos .................................................................. 19 3.4.3 Cemento Portland Blanco ............................................................. 20 4. Situación del cemento en la actualidad ........................................................ 21 5. Descripción de las materias primas ............................................................. 23 5.1 Componente calcáreo ............................................................................ 23 5.1.1 Caliza .............................................................................................. 23 Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 3 5.1.2 Creta ............................................................................................... 24 5.1.3 Marga .............................................................................................. 24 5.2 Componente arcilloso ............................................................................ 25 5.3 Componentes correctores ...................................................................... 25 5.4 Componentes adicionales ...................................................................... 25 5.4.1 Óxido de magnesio .......................................................................... 26 5.4.2 Álcalis .............................................................................................. 26 5.4.3 Azufre .............................................................................................. 26 5.4.4 Cloruros ........................................................................................... 27 5.4.5 Fluoruros ......................................................................................... 28 5.5 Yeso ...................................................................................................... 28 6. Reacciones químicas que se producen ....................................................... 29 6.1 Hasta los 550 ºC .................................................................................... 29 6.1.1 Secado ............................................................................................ 29 6.1.2 Deshidratación de la arcilla .............................................................. 29 6.2 Hasta 1000 ºC ........................................................................................ 29 6.2.1 Formación de los óxidos a partir de la metacaolinita ....................... 29 6.2.2 Descomposición de los carbonatos ................................................. 29 6.2.3 Formación de SC2 y AC3 ................................................................. 30 6.3 Hasta los 1250 ºC .................................................................................. 30 6.3.1 Fijación de cal en SC y AC para dar SC2 y AC3 ............................... 30 6.3.2 Formación de FAC4 ......................................................................... 30 6.4 Hasta los 1450 ºC .................................................................................. 30 6.5 Enfriamiento ........................................................................................... 31 7. Descripción química del clínker ................................................................... 33 7.1 Silicato tricálcico (SC3) ........................................................................... 34 7.2 Silicato bicálcico (SC2) ........................................................................... 34 7.3 Aluminato tricálcico ................................................................................ 35 Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 4 7.4 Ferrito-Aluminato tetracálcico (FAC4) ..................................................... 36 8. Selección del método de fabricación ..................................................... 37 8.1 Vía Húmeda ........................................................................................... 38 8.2 Vía semi-seca y semi-húmeda ............................................................... 39 8.3 Vía Seca ................................................................................................ 41 8.4 Elección adoptada ................................................................................. 42 9. Proceso de producción: descripción de alternativas .............................. 43 9.1 Desmenuzamiento preliminar de las materias primas ............................ 43 9.1.1 Trituradores de mandíbulas ............................................................. 44 9.1.2 Trituradores de cono o giratorios ..................................................... 46 9.1.3 Trituradores de cilindros o rodillos ................................................... 47 9.1.4 Trituradores de martillos .................................................................. 47 9.1.5 Trituradores por impacto .................................................................. 48 9.1.6 Molino de bolas ............................................................................... 49 9.1.7 Molinos Compound .......................................................................... 50 9.1.8 Molinos de bolas sobre pista en anillo (molinos Peters)................... 50 9.2 Prehomogeneización ............................................................................. 52 9.3 Desecación de las materias primas ........................................................ 55 9.3.1 Secadores de tambor ...................................................................... 55 9.3.2. Molienda – secado ......................................................................... 58 9.3.3. Secaderos rápidos .......................................................................... 59 9.4. Molienda del crudo ................................................................................ 60 9.4.1. Molinos combinados ....................................................................... 61 9.4.2. Molinos de circuito cerrado con elevador de noria y separadores centrífugos ........................................................................................................... 61 9.4.3. Molinos con separador de aire ........................................................ 61 9.4.4. Finura del molido ............................................................................ 62 9.5. Almacenamiento de las materias primas ............................................... 64 Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 5 9.5.1. Silos de crudo ................................................................................. 64 9.6. Homogeneización del crudo .................................................................. 65 9.6.1. Proceso Fuller ................................................................................ 66 9.6.2. Otros sistemas................................................................................ 67 9.7. Hornos .................................................................................................. 68 9.7.1. Hornos verticales ............................................................................ 68 9.7.2. Hornos rotatorios ............................................................................ 70 9.8. Precalentadores y precalcinadores ....................................................... 79 9.9. Combustibles ........................................................................................ 82 9.10. Enfriamiento del clínker ....................................................................... 83 9.10.1. Enfriador de tambor rotatorio ........................................................ 84 9.10.2. Enfriador planetario: construcción antigua .................................... 85 9.10.3. Enfriador planetario: construcción moderna .................................. 86 9.10.4. Enfriador de parrilla ...................................................................... 86 9.10.5. Enfriador de cuba (vertical) ........................................................... 88 9.10.6. Enfriador por gravedad ................................................................. 89 9.11. Almacenamiento del clínker ................................................................ 90 9.12. Molienda del cemento ......................................................................... 91 9.12.1. Molinos combinados ..................................................................... 94 9.12.2. Molinos tubulares con separadores por centrifugación y elevador en circuito cerrado .................................................................................................... 94 9.13. Almacenamiento del cemento ............................................................. 95 9.14. Ensacado y carga del cemento ........................................................... 96 9.15. Desempolvaduras ............................................................................... 99 9.15.1. Cámaras de sedimentación de polvo .......................................... 100 9.15.2. Ciclones ...................................................................................... 101 9.15.3. Multiciclones ............................................................................... 102 9.15.4. Filtros de tejido ........................................................................... 103 Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 6 9.15.5. Filtros de lechos de gravillas ....................................................... 104 9.15.6. Filtros electrostáticos .................................................................. 105 9.16. Descripción de los transportes internos ............................................. 107 9.16.1. Cintas transportadoras ............................................................... 107 9.16.2. Elevadores de cangilones ........................................................... 110 9.16.3. Aerodeslizadores ........................................................................ 112 9.16.4. Otros tipos de transporte ............................................................ 113 10. Ubicación de la fábrica ........................................................................ 117 11. Descripción del proceso ...................................................................... 121 11.1. Trituración de las materias primas .................................................... 121 11.1.1. Trituración primaria de la caliza .................................................. 121 11.1.2. Trituradora secundaria de caliza ................................................. 121 11.1.3. Trituración de la arcilla ................................................................ 122 11.2. Prehomogeneización de las materias primas .................................... 122 11.3. Molienda del crudo ....................................................................... 123 11.4. Almacenamiento-homogeneización del crudo .............................. 124 11.5. Precalentamiento del crudo .......................................................... 124 11.6. Calcinación del crudo ................................................................... 125 11.7. Enfriamiento del clínker ................................................................ 126 11.8. Almacenamiento del clínker .......................................................... 126 11.9. Molienda del cemento ................................................................... 126 11.10. Almacenamiento del cemento ....................................................... 127 11.11. Ensacado y carga del cemento ..................................................... 127 11.12. Tratamiento de los gases de escape ............................................ 128 11.13. Transportes internos de la fábrica ................................................ 128 11.14. Diagrama de bloques del proceso ................................................ 130 12. Cálculos.................................................................................................. 133 12.1. Balances de materia y de energía ..................................................... 133 Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 7 12.1.1 Balance de materia en la molienda de cemento .......................... 133 12.1.2. Balance de energía al enfriador planetario ................................. 135 12.1.3. Balance de materia al horno rotatorio ......................................... 135 12.1.4. Balance de materia al gas natural............................................... 143 12.1.5. Balance de energía al horno ....................................................... 147 12.1.6. Balance de materia y energía al intercambiador de ciclones ...... 148 12.1.7. Balance de materia y energía en la molienda-secado del crudo . 151 12.1.8. Balance de materia en la zona de distribución ............................ 154 12.2. Diseño de las máquinas .................................................................... 155 12.2.1. Triturador primario de caliza ....................................................... 155 12.2.2. Trituradora secundaria de caliza. Triturador giratorio .................. 157 12.2.3. Trituración de la arcilla. Triturador de rodillos ............................. 159 12.2.4. Almacenamiento-prehomogeneización de caliza ........................ 162 12.2.5. Almacenamiento-prehomogeneización de arcilla ........................ 164 12.2.6. Molienda del crudo ..................................................................... 165 12.2.7. Almacenamiento-homogeneización de crudo ............................. 172 12.2.8. Intercambiador de ciclones ......................................................... 173 12.2.9. Horno rotatorio ............................................................................ 180 12.2.10. Enfriador planetario .................................................................. 190 12.2.11. Tanques de almacenamiento del clínker ................................... 192 12.2.12. Molienda del cemento molino de bolas ..................................... 193 12.2.13. Almacenamiento de cemento ................................................... 201 12.2.14. Ensacadora .............................................................................. 201 12.2.15. Torre de acondicionamiento ..................................................... 202 12.2.16. Electrofiltro ............................................................................... 204 12.2.17. Cintas transportadoras ............................................................. 207 12.2.18. Elevadores de cangilones ......................................................... 208 13. Fuentes de información ....................................................................... 209 Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 8 14. Anexo .................................................................................................. 211 14.1 Normativa .......................................................................................... 211 14.1.1 Relación de normativas relativas al cemento ............................... 212 Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 9 1. Objetivo del proyecto El presente proyecto tiene por objeto el diseño de las obras e instalaciones necesarias para el proceso de producción de cemento Portland del tipo I, a través del procedimiento por vía seca, con una producción de 500000 T/año a situar en la localidad sevillana de Villanueva del Río y Minas, en el polígono industrial El Carbonal. Para ello se describen los procesos comerciales, la maquinaria utilizada, las reacciones que intervienen en el proceso, las materias primas que se necesitan, etc. así como todos los cálculos necesarios tanto en el diseño de los equipos como de las cantidades de materias primas a introducir. Por otra parte, el objetivo final es la realización del Proyecto Final de Carrera cuyo peticionario es la Escuela de Ingeniería Técnica Industrial de Zaragoza, dentro de la especialidad de Química Industrial. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 16 los otros tipos de cemento. Los usos y aplicaciones del cemento tipo IV están dirigidos a obras con estructuras de tipo masivo, como por ejemplo grandes presas. La hidratación se inicia en el momento en que el cemento entra en contacto con el agua; el endurecimiento de la mezcla da principio generalmente a las tres horas, y el desarrollo de la resistencia se logra a lo largo de los primeros 30 días, aunque éste continúa aumentando muy lentamente por un período mayor de tiempo En la fabricación del cemento se utilizan normalmente calizas de diferentes tipos, arcillas, aditivos -como el mineral de fierro cuando es necesario- y en ocasiones materiales silicosos y aluminosos. Estos materiales son triturados y molidos finamente, para luego ser alimentados a un horno rotatorio a una temperatura de 1400 ºC y producir un material nodular de color verde oscuro denominado Clínker. 3.2. Cementos Hidráulicos Mezclados Estos cementos han sido desarrollados debido al interés de la industria por la conservación de la energía y la economía en su producción. La norma ASTM C 595 reconoce la existencia de cinco tipos de cementos mezclados: 1. Cemento Portland de escoria de alto horno - Tipo IS. 2. Cemento Portland puzolana - Tipo IP y Tipo P. 3. Cemento de escoria - Tipo S. 4. Cemento Portland modificado con puzolana - Tipo I (PM). 5. Cemento Portland modificado con escoria - Tipo I (SM). 3.2.1 Tipo IS El cemento Portland de escoria de alto horno se puede emplear en las construcciones de concreto en general. Para producir este tipo de cemento, la escoria del alto horno se muele junto con el clínker de cemento Portland, o puede también molerse en forma separada y luego mezclarse con el cemento. El contenido de escoria varía entre el 25 y el 70 % en peso. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 17 3.2.2 Tipo IP y Tipo P El cemento Portland IP puede ser empleado en construcciones en general y el tipo P se utiliza en construcciones donde no sean necesarias resistencias altas a edades tempranas. El tipo P se utiliza normalmente en estructuras masivas, como estribos, presas y pilas de cimentación. El contenido de puzolana de estos cementos se sitúa entre el 15 y el 40 % en peso. 3.2.3 Tipo S El cemento tipo S, de escoria, se usa comúnmente en donde se requieren resistencias inferiores. Este cemento se fabrica mediante cualquiera de los siguientes métodos: 1) Mezclando escoria molida de alto horno y cemento Portland. 2) Mezclando escoria molida y cal hidratada. 3) Mezclando escoria molida, cemento Portland y cal hidratada. El contenido mínimo de escoria es del 70 % en peso del cemento de escoria. 3.2.4 Tipo I (PM) El cemento Portland tipo I (PM), modificado con puzolana, se emplea en todo tipo de construcciones de concreto. El cemento se fabrica combinando cemento Portland o cemento Portland de escoria de alto horno con puzolana fina. Esto se puede lograr: 1) Mezclando el cemento Portland con la puzolana. 2) Mezclando el cemento Portland de escoria de alto horno con puzolana. 3) Moliendo conjuntamente el clínker de cemento con la puzolana. 4) Por medio de una combinación de molienda conjunta y de mezclado. El contenido de puzolana es menor del 15 % en peso del cemento terminado. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 18 3.2.5 Tipo I (SM) El cemento Portland modificado con escoria, tipo I (SM), se puede emplear en todo tipo de construcciones de concreto. Se fabrica mediante cualquiera de los siguientes procesos: 1) Moliendo conjuntamente el clínker con alguna escoria granular de alto horno. 2) Mezclando escoria molida y cal hidratada. 3) Mezclando escoria, cemento Portland y cal hidratada. El contenido máximo de escoria es del 25 % del peso del cemento de escoria. A todos los cementos mezclados arriba mencionados, se les puede designar la inclusión de aire agregando el sufijo A, por ejemplo, cemento tipo S-A. Además, en este tipo de cementos, la norma establece como requisito opcional para los cementos tipo I (SM), I (PM), IS, IP y los denominados con sufijo MS o MH lo siguiente: moderada resistencia a los sulfatos y/o moderado calor de hidratación y en caso del tipo P y PA, moderada resistencia a los sulfatos y/o bajo calor de hidratación. 3.3 Cementos Especiales 3.3.1 Cementos para Pozos Petroleros Estos cementos, empleados para sellar pozos petroleros, normalmente están hechos de clínker de cemento Portland. Generalmente deben tener un fraguado lento y deben ser resistentes a temperaturas y presiones elevadas. El Instituto Americano del Petróleo (American Petroleum Institute) establece especificaciones (API 10-A) para nueve clases de cemento para pozos (clases A a la H). Cada clase resulta aplicable para su uso en un cierto rango de profundidades de pozo, temperaturas, presiones y ambientes sulfatados. 3.3.2 Cementos Plásticos Los cementos plásticos se fabrican añadiendo agentes plastificantes, en una cantidad no mayor del 12 % del volumen total, al cemento Portland de tipo I ó II durante la operación de molienda. Estos cementos comúnmente son empleados para hacer morteros y aplanados. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 19 3.3.3 Cementos Portland Impermeabilizados El cemento Portland impermeabilizado usualmente se fabrica añadiendo una pequeña cantidad de aditivo repelente al agua como el estearato de sodio, de aluminio, u otros, al clínker de cemento durante la molienda final. 3.4 Otros Tipos de Cementos 3.4.1 Cementos de Albañilería Estos son cementos hidráulicos diseñados para emplearse en morteros, para construcciones de mampostería. Están compuestos por alguno de los siguientes: cemento Portland, cemento Portland puzolana, cemento Portland de escoria de alto horno, cemento de escoria, cal hidráulica y cemento natural. Además, normalmente contienen materiales como cal hidratada, caliza, creta, talco o arcilla. La trabajabilidad, resistencia y color de los cementos de albañilería se mantienen a niveles uniformes gracias a los controles durante su manufactura. Aparte de ser empleados en morteros para trabajos de mampostería, pueden utilizarse para argamasas y aplanados, mas nunca se deben emplear para elaborar concreto. 3.4.2 Cementos Expansivos El cemento expansivo es un cemento hidráulico que se expande ligeramente durante el período de endurecimiento a edad temprana después del fraguado. Debe satisfacer los requisitos de la especificación ASTM C 845, en la cual se le designa como cemento tipo E-1. Comúnmente se reconocen tres variedades de cemento expansivo: E-1(K) contiene cemento Portland, trialuminosulfato tetracálcico anhídro, sulfato de calcio y óxido de calcio sin combinar. E-1(M) contiene cemento Portland, cemento de aluminato de calcio y sulfato de calcio. E-1(S) contiene cemento Portland con un contenido elevado de aluminato tricálcico y sulfato de calcio. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 20 3.4.3 Cemento Portland Blanco El cemento Portland blanco difiere del cemento Portland gris únicamente en el color. Se fabrica conforme a las especificaciones de la norma ASTM C 150, normalmente con respecto al tipo I ó tipo III; el proceso de manufactura, sin embargo, es controlado de tal manera que el producto terminado sea blanco. El cemento Portland blanco es fabricado con materias primas que contienen cantidades insignificantes de óxido de hierro y de manganeso, que son las sustancias que dan el color al cemento gris. El cemento blanco se utiliza para fines estructurales y para fines arquitectónicos, como muros precolados, aplanados, pintura de cemento, paneles para fachadas, pegamento para azulejos y como concreto decorativo. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 21 4. Situación del cemento en la actualidad Desde el año 2008, el sector de la construcción en España ha frenado sustancialmente el crecimiento de sus principales variables dando lugar, como consecuencia, a una caída en el consumo de cemento. La producción de cemento alcanzó los 54.5 millones de toneladas en 2007, siendo ésta su cifra más alta en toda la historia. Si se comparan estos datos con los del año presente (27.4 millones de toneladas), se observa un descenso en la producción de más del 50 % en tan sólo 3 años. De esos 27.4 millones de toneladas de cemento, un 97.45 % corresponden a la producción de cemento gris, mientras que tan solo un 2.55 % corresponde a una producción de cemento blanco. Tanto en la tabla 4.1 como en la figura 4.1, puede observarse el descenso sufrido en el sector durante los últimos años. Tabla 4.1. Comparación de datos referidos al cemento entre los años 2009 y 2010. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 22 Figura 4.1. Gráfico referido a la producción de cemento y exportación de clínker en los últimos años. Sin embargo, se observa que pese a la gran cantidad de cemento que se produce en España, sigue siendo considerable el cemento que se importa de otros países, así como la cantidad de éste que se exporta fuera de las fronteras naciones, especialmente al norte de África. Por lo tanto, el objetivo de la presente planta se dirigirá fundamentalmente al abastecimiento de las necesidades cementeras africanas y del sur peninsular, tratando de evitar el encarecimiento del cemento que supone su importación desde lugares de producción más lejanos. Otro factor decisivo a la hora de decidir instalar una fábrica de cemento en la actualidad, es que según datos estadísticos, se prevé que la crisis económica en la que está inmersa tanto España como el resto de los países de la Comunidad Europea terminará a finales del año siguiente. Por lo tanto, se considera que cuando la fábrica se haya construido en su totalidad, el mercado de la construcción resurgirá volviéndose a alcanzar de nuevo valores de ventas muy positivos, tal y como se registraron en años anteriores. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 23 5. Descripción de las materias primas Para fabricar cemento pueden usarse tanto minerales de origen natural como productos industriales. Como minerales de partida sirven minerales que contengan los componentes principales del cemento: cal, sílice, alúmina y óxidos de hierro. Estos componentes raramente se encuentran en las proporciones deseadas y en una sola sustancia. Por tanto, la mayoría de las veces se ha de elegir la mezcla de un componente rico en cal (componente calcáreo) con otro pobre en cal pero que contenga más alúmina y óxidos de hierro (componente arcilloso). Estos dos componentes son, por regla general, la caliza y la arcilla o la caliza y la marga. Las materias primas para la fabricación de cemento han de ser de extracción económica. Cuanto mayor es el número de componentes que tengan que mezclarse, más cara será la extracción y preparación de las materias necesarias para conseguir una mezcla apta para una buena cocción. 5.1 Componente calcáreo 5.1.1 Caliza El carbonato cálcico (CaCO3) adecuado para fabricar cemento Portland es el procedente de todas las formaciones geológicas. Las formas más puras de la caliza son el espato calizo (calcita) y el aragonito. El espato calizo cristaliza en el sistema hexagonal y el aragonito en el rómbico. Una variedad de espato calizo, de grano macroscópico, es el mármol pero sería antieconómico emplear mármol para fabricar cemento. Las formas más comunes del carbonato cálcico y más parecidas al mármol están constituidas por la caliza y la creta. La caliza posee, por lo general, estructura cristalina de grano fino. La dureza de la caliza viene determinada por su edad geológica; cuanto más antigua es la formación tanto más dura suele ser la caliza. Solamente los yacimientos de la caliza pura son de color blanco. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 24 Usualmente la caliza contiene otros materiales pertenecientes a sustancias arcillosas o a minerales de hierro que influyen en su color. 5.1.2 Creta La creta es una roca sedimentaria, formada durante el cretácico, y geológicamente joven. Al contrario que la caliza, la creta posee una estructura suelta, térrea, que la hace adecuada especialmente para la fabricación del cemento por vía húmeda. Como la extracción de la creta no exige explosivos ni tampoco se ha de triturar, el coste de este componente disminuye de modo considerable el de la fabricación del cemento. En algunos yacimientos el contenido en carbonato cálcico de la creta llega al 98- 99 % con porcentajes prácticamente despreciables de SiO2, Al2O3, y MgCO3. En el crudo para cemento, el componente alcanza una cuantía del 76-80 %, por lo que sus propiedades físicas tienen una influencia decisiva en la elección del proceso de fabricación del cemento y de los dispositivos de su realización. 5.1.3 Marga A las calizas que van acompañadas de sílice y de productos arcillosos, así como de óxido de hierro, se les llama margas. Las margas forman el paso de transición a las arcillas. Debido a su abundancia, las margas se utilizan con mucha frecuencia como materia prima para la fabricación de cemento. Geológicamente, son rocas sedimentarias originadas por la deposición simultánea de carbonato de calcio y de material arcilloso. La dureza de la marga es menor que la de la caliza; cuánto más elevada es su concentración en material arcilloso, tanto menos dura se presenta. A veces, las margas contienen sustancias bituminosas. El color de la marga depende del material arcilloso que contiene y varía desde el amarillo hasta el gris oscuro. Las margas son un excelente material para la fabricación de cemento, puesto que contienen el material calcáreo y arcilloso en estado homogeneizado. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 25 5.2 Componente arcilloso La segunda materia prima importante para la fabricación de cemento es la arcilla. Las arcillas, en esencia, son productos de meteorización de silicatos de los metales alcalinos y alcalinotérreos, en particular de los feldespatos y micas. La parte principal de las arcillas está formada por hidrosilicatos de alúmina. La composición química de las arcillas varía desde aquellas que se aproximan a los minerales puros de la arcilla hasta las que contienen agregados de hidróxido de hierro, sulfuro de hierro, arena, carbonato de calcio, etc. El hidróxido de hierro es el componente colorante más frecuente de las arcillas, aunque también pueden prestarle distintas coloraciones las sustancias orgánicas, siendo la arcilla sin impurezas blanca. La principal fuente de álcalis en los cementos es el componente arcilloso del crudo. Las arcillas más empleadas se clasifican en los siguientes grupos de minerales:  Caolín: Al2O3 · 2 SiO2 · 2 H2O  Mortmorillonita: Al2O3 · 4 SiO2 · H2O + nH2O Los minerales del grupo del caolín se distinguen por su diferente riqueza en SiO2, así como por su estructura cristalográfica y sus propiedades ópticas. La denominación de caolinita se aplica al mineral caolín puro. Los minerales de la arcilla tienen textura de grano fino; el tamaño del grano queda por debajo de las 2 micras de diámetro. 5.3 Componentes correctores Los componentes correctores se añaden en los casos en que las materias primas disponibles no contienen en cantidad suficiente uno de los componentes químicamente necesarios en el crudo. Así, se aplica, por ejemplo, arena como material adicional para elevar el contenido en anhídrido silícico, o también arcillas de muy alto contenido en SiO2 o bien kieselgur. Si carecen de los suficientes óxidos de hierro se utilizan como correctores minerales de hierro o cenizas de la tostación de piritas. 5.4 Componentes adicionales Algunos elementos o compuestos que se pueden encontrar acompañando a las materias primas son: Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 32 Figura 6.1. Fases del clínker de cemento Portland. Se observan las distintas fases: - Alita: gris oscuro, en su mayor parte con bordes rectilíneos. - Belita: gris claro con bordes redondeados. - Aluminato: inclusiones oscuras en la masa intersticial clara. - Ferrita: masa intersticial blanca. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 33 7. Descripción química del clínker El clínker del cemento se forma por las reacciones químicas entre los compuestos constituyentes del crudo. Hay que tener presente que la calidad del clínker define todas las propiedades del cemento. Dicha calidad dependerá de su composición química, cuyos intervalos se recogen en la tabla 7.1. Tabla 7.1. Intervalos permisibles de los diferentes componentes del cemento (% en peso) Límites SiO2 19-24 Al2O3 4-9 Fe2O3 1.6-6 CaO 60-67 MgO <5 K2O <3 Na2O <3 SO3 <3 De forma práctica, se trabaja siempre con los componentes mineralógicos del clínker llamados fases. Las distintas fases están descritas en la tabla 7.2. Tabla 7.2. Composición mineralógica (fases) del clínker de cemento Fases Fórmula química Formulación abreviada Silicato tricálcico SiO2·3CaO SC3 (alita) Silicato bicálcico SiO2·2CaO SC2 (Belita) Aluminato tricálcico Al2O3·3Cao AC3 (Felita) Ferrito-aluminato tetracálcico Fe2O3·Al2O3·4CaO FAC4 (Celita) A continuación se detallan las fases principales de clínker: Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 34 7.1 Silicato tricálcico (SC3) Es el mineral más importante del clínker y se le conoce con el nombre de “alita”. Su reacción es bastante exotérmica (120 cal/g). Examinado al microscopio, se presenta en forma de cristales poligonales curvos, cuyo tamaño medio es de 50 μm. El SC3 puede disociarse en SC2 y CaO, al enfriar el clínker y mantenerlo mucho tiempo a dicha temperatura. Determina la rapidez de fraguado y las resistencias mecánicas; su cantidad en el clínker está entre el 45-60 %. Un cemento con alto contenido de SC3 (60 %), da altas resistencias iniciales. Estos cementos presentan una alta proporción de CaO en su composición y están clinkerizados a una temperatura suficientemente alta para que la cantidad de CaO (cal libre) no sea demasiado elevada. Nunca se encuentra SC3 puro en el clínker, sino que incluye otros óxidos ajenos a su composición, como son el MgO, Al2O3, Fe2O3, TiO2 y otros. Los contenidos de estos óxidos dependen de la composición del clínker, de la temperatura de cocción y del enfriamiento. 7.2 Silicato bicálcico (SC2) Llamado “belita”, está presente en un 20-30 % en el clínker. Endurece con lentitud, pero alcanza alta resistencia después de un fraguado prolongado. El SC2 es el compuesto que da al cemento su resistencia a largo plazo. Al igual que el SC3, tampoco se encuentra puro en el clínker, pues contiene otros óxidos (Al2O3, Fe2O3, MgO, Cr2O3, etc.), que se introducen en la red cristalina entre 1-3 %. La belita se encuentra principalmente en estado sólido a la temperatura de clinkerización. El desarrollo de sus resistencias es lento, aunque a largo plazo alcanza resistencias tan altas como el SC3. Existen cuatro variedades polimórficas del orto-silicato de calcio (α, β, ϒ y δ). La variedad α es la más frecuente en el clínker; sus cristales son de aspecto variable con un tramo entre 20-50 μm y su superficie puede ser lisa o estriada; la estriada proviene del paso de la forma β a la α. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 35 Durante el enfriamiento lento, la forma α puede pasar a la forma ϒ. La transformación se realiza con un aumento de volumen del 10 %, lo que provoca su pulverización. No obstante, esta inversión se puede evitar, es decir, que se puede estabilizar la forma α, pues algunas impurezas (Al2O3, Fe2O3, etc.) impiden la transformación. La granulometría tiene una gran importancia. En nódulos grandes, el SC2 a se transforma en ϒ alrededor de los 500 ºC, mientras que en partículas finas, menores de 5 μm, alcanza la temperatura ordinaria conservando su forma. 7.3 Aluminato tricálcico Llamado “felita”, está entre un 8-13 % en el clínker. En condiciones favorables de cocción, se obtiene en forma de cristales variables según sea el enfriamiento del clínker; cuando el enfriamiento es rápido los cristales son cúbicos (10-15 μ). La densidad del AC3 es de 3.04 g/cm3. La estabilidad de volumen es muy baja, principalmente en presencia de sulfatos, pues da lugar a la formación de la sal de Candlot. Su reacción es: Su durabilidad en presencia de sulfatos es prácticamente nula. Tiene un gran desprendimiento de calor (207 cal/g), con una velocidad media muy alta. La estabilidad química y las expansiones producidas por los sulfatos, dependen parcialmente del estado vítreo o cristalino del AC3, debido a como se haya realizado su fabricación. Estas condiciones expansivas, al producir fisuras y disgregaciones facilitan e incrementan aún más el ataque químico, hasta producir la desintegración total. El AC3 abunda más en los cementos blancos que en los grises. Es el constituyente causante del fraguado rápido del cemento, y por lo tanto, es lógico que se añada como regulador de fraguado el yeso, para que se forme la sal de Candlot, para así poder retardar, regular y normalizar el fraguado. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 36 7.4 Ferrito-Aluminato tetracálcico (FAC4) Se llama “celita” y está presente en un 10-20 %. Es el compuesto que da el color gris al cemento Portland. Su densidad es de 3.77 g/cm3. Tiene un calor de hidratación medio (100 cal/g) y su velocidad que también es media. La reacción de hidratación es rápida y la completa en un periodo comprendido entre 12 y 24 horas. Puede considerarse como un proceso rápido, pero los productos de su hidratación no contribuyen prácticamente a las resistencias. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 37 8. Selección del método de fabricación Existen cuatro métodos de fabricación del cemento Portland. Todos tienen en común las partes más destacadas, que son, la trituración de las materias primas, la calcinación para conseguir el clínker y la molienda del cemento. Pero en cambio, divergen en cómo se procesa el material antes de su entrada en el horno de clínker. Se distinguen cuatro tipos de proceso de fabricación: vía seca, vía semi-seca, vía semi-húmeda y vía húmeda. La elección del método se fundamenta en cuatro factores clave: la cantidad de humedad de las materias primas, la dosificación de la misma (a mayor cantidad de arcilla mas humedad en el crudo), el combustible utilizado y el grado de recuperación de los gases de combustión. Figura 8.1 Esquema de los distintos tipos de procesos para la fabricación de cemento Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 38 Figura 8.2 Diagrama básico del proceso de fabricación de cemento por vía seca y húmeda 8.1 Vía Húmeda Este proceso se emplea si el crudo tiene un alto contenido en humedad, del 15 al 20 % ya que con esta gran cantidad de agua resultaría muy caro su secado. Por esta vía, la materia prima se muele tras añadir alrededor de un 35 % de agua hasta formar una pasta. Esto favorece la regulación de la temperatura en la clinkerización y el exceso del agua se evapora durante la cocción. Sin embargo, presenta el problema de que la cantidad de energía requerida viene a ser de un 15 a un 25 % mayor que en el método seco y por lo tanto sea hace menos atractivo desde un punto de vista económico. En la actualidad se fabrican pocos hornos nuevos por vía húmeda salvo para condiciones extremas de la materia prima, ya que se requiere menor energía para la molienda del crudo. Además, los combustibles que tradicionalmente se han empleado han sido carbón y fuel, lo cual, no favorece su viabilidad económica. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 39 Figura 8.3 Esquema de fabricación de cemento por vía húmeda. 8.2 Vía semi-seca y semi-húmeda Son métodos intermedios entre la vía húmeda y la vía seca. En la vía semihúmeda se añade agua y en la semi-seca se extrae (precisa una instalación de secado) la humedad antes de la molienda del crudo, obteniéndose así unos gránulos, llamados pellets, con una humedad de entre 15 y 20 %. Éstos se depositan en parrillas móviles (instalaciones Lepol) a través de las cuales se hacen circular gases calientes provenientes del horno. Cuando el material alcanza la entrada del horno, el agua se ha evaporado y la cocción ha comenzado. La recuperación de calor, aunque es superior al de la vía húmeda, no es tan efectiva como en el caso de la vía seca, lo cual quita atractivo a este método de fabricación. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 40 Figura 8.4. Esquema de fabricación de cemento por vía semi-seca Figura 8.5. Esquema de fabricación de cemento por vía semi-húmeda Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 41 8.3 Vía Seca Este método se emplea cuando las materias primas no superan el 15 o 20 % en humedad. Con este método, la materia prima se tritura al tiempo que se seca (moliendasecado), aprovechando los gases de combustión. Además, incorpora un intercambiador térmico de ciclones que optimizan el consumo de combustible y recuperan la mayor cantidad de calor posible. La homogeneización, en vez de realizarse con agua, se realiza neumáticamente lo cual supone un gran ahorro energético. La capacidad de producción llega a ser 5 veces mayor que las de vía húmeda y entre 2 y 3 veces superior al de los otros dos métodos. Figura 8.6 Esquema de fabricación de cemento por vía seca Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 48 Este triturador trabaja con la fuerza de percusión de los martillos, se reducen al mínimo las masas de los martillos y para elevar su fuerza de impacto se eleva la velocidad tanto como sea posible, con lo que disminuye el desgaste. Figura 9.4 Trituradores de martillos. 9.1.5 Trituradores por impacto En el desmenuzamiento por impacto o choque, el material es lanzado a gran velocidad hacia unas placas estacionarias para chocar estrellándose contra ellas. El desmenuzamiento también se realiza por percusión a cargo de los listones del rotor sobre el material, así como los choques recíprocos de trozos del material en trituración, pero en este sistema, el componente predominante del trabajo de trituración es la acción del choque contra las placas. El desmenuzamiento del material se realiza de acuerdo con los planos de exfoliación del material por lo que sólo se puede aplicar esta trituración a materiales pétreos quebradizos de dureza media, puesto que los materiales plásticos no se rompen mediante choque. Las rocas duras y estables son difícilmente triturables con los trituradores de choque. El trabajo de tales rocas comporta altos gastos de explotación y de mantenimiento y por esa razón no es rentable. Para tales situaciones, son apropiadas y económicas las máquinas convencionales para desmenuzar, tales como las de mandíbulas, las de cono y los trituradores de martillos. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 49 Figura 9.5. Triturador por impacto. 9.1.6 Molino de bolas El molino de bolas cuenta con dos tipos de pulverización según se esté aplicando el proceso seco o el proceso húmedo. Puede ser dividido en tipo tubular y tipo fluido de acuerdo con las diferentes formas de descarga de material. Este molino es un dispositivo de funcionamiento de tipo horizontal y tubular con dos compartimientos. Es de estilo de molienda y su exterior funciona a través de un engranaje. El material ingresa en espiral y uniformemente al primer compartimiento de la máquina de molienda a través del eje del espacio para la salida de materiales por medio del dispositivo de entrada de materiales. En el compartimiento, hay un tablero de escala o tablero de onda, y según las diferentes especificaciones se pueden instalar bolas de acero en este tablero. Cuando el cuerpo del barril gira, produce fuerza centrífuga. En ese momento, las bolas de acero son llevadas hasta cierta altura y caen para moler y golpear los materiales. Después de ser molidos de forma gruesa en el primer compartimiento, los materiales entran en el segundo compartimiento para ser remolidos con las bolas de acero y el tablero de escala. Al final, el polvo es descargado por el tablero de salida de materiales y el producto final está terminado. La chapa dispone de taladros para la colocación con tornillos de las placas de blindaje en el interior, que protegen la pared del molino del desgaste que producen los cuerpos moledores (bolas) en la cámara de molturación. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 50 Figura 9.6 Molino de bolas 9.1.7 Molinos Compound A los trituradores Compound por choque se les llama así porque reúnen en un mismo armazón dos tipos de triturador. El rotor primario es de listones para percusión y el secundario, de martillos, provisto de martillos pendulares. El rotor secundario está dispuesto a nivel inferior que el primario. El rotor primario sirve para la trituración previa mientras que el secundario desmenuza hasta la granulometría definitiva. Figura 9.7. Molino Compound o por gravedad. 9.1.8 Molinos de bolas sobre pista en anillo (molinos Peters) La industria del cemento utiliza los molinos Peters (también denominados molinos Fuller-Peters) principalmente para la molienda de carbón, en donde éste no se ha sustituido por fuel-oil. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 51 Este molino se parece en su estructura a un rodamiento axial. El material a moler se encuentra en una pista en forma de artesa horizontal donde se muele mediante bolas. Las bolas son presionadas por un anillo de presión, accionado por un muelle, sobre el material. En esencia, este molino consta del recinto de molienda, de un separador por aire y de un reductor del accionamiento. En el recinto de molienda, gira el anillo de molienda inferior, mientras que el superior es estacionario. Mediante muelles regulables, el anillo superior comprime las bolas de molienda que ruedan unas en contacto con las otras, dispuestas entre ambos anillos, como en un cojinete de bolas. El material se introduce o desde arriba y por el centro, atravesando el separador de aire del molino o lateralmente a través de la carcasa del recinto de molienda, llegando por acción centrífuga a las bolas de molienda. El material molido sale a la periferia del dispositivo moledor y una corriente de aire vertical lo capta y transporta al separador por aire dónde las partes gruesas separadas retornan, por su peso, a la zona de molienda, mientras que los finos abandonan el molino con el aire. El material de alimentación húmedo puede secarse intensivamente dentro del molino por medio de aire o gases inertes a alta temperatura. Según los datos de los fabricantes del molino, es posible utilizar gases con temperaturas a la entrada del molino de hasta 600 °C. El molino no tiene rodamientos antifricción. Esta ventaja conlleva otra desventaja, la de una marcha un poco brusca. Mientras las bolas suelen trabajar amortiguadamente en el lecho, tienen por arriba siempre el contacto con el anillo de presión. Las bolas que trabajan sin jaula se topan entre ellas esporádicamente en su trayecto horizontal –por tener el mismo sentido de giro– y tienden a subirse entre ellas. Como consecuencia, se presentan vibraciones que aumentan con la masa de las bolas. Esto es una razón de la limitación del tamaño del molino. Sin aumentar la velocidad de molienda se puede aumentar la productividad al aumentar el diámetro del molino –plato y carcasa– para aumentar consecuentemente la cantidad de cuerpos de molienda. Pero también este método tiene sus límites, porque al hacerse muy grande el diámetro de la carcasa, el gas que ayuda normalmente a elevar el material ya no le dará flotabilidad. El carbón presenta mejores Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 52 resultados que la mayoría de los otros minerales que se muelen ya que tiene un menor peso específico. Cuando los elementos de molienda se desgastan, se pueden abrir unas puertas grandes en el molino, cambiando las partes (bolas y anillo o plato de molienda) mediante unos dispositivos auxiliares sin tomar ningunas otras medidas especiales. El tiempo de servicio de las partes de molienda (horas de servicio) es muy largo. La apariencia externa es similar a la del molino de bolas convencional. 9.2 Prehomogeneización El objetivo de esta homogeneización es que todas las partes de materias primas tengan la misma composición. La mayoría de las veces solo se somete a prehomogeneización el componente principal del crudo para cemento, la caliza. La prehomogeneización se puede dividir en dos grupos: 1. Prehomogeneización conjunta de las materias primas componentes. 2. Prehomogeneización particular de los componentes individuales. La prehomogeneización conjunta de las materias primas componentes exige una composición química equilibrada. La dosificación de los componentes se realiza antes de llevarlos al lecho de mezcla. La desigual granulometría de estos puede originar la segregación que conduce a desviaciones del crudo en relación a su valor correcto durante grandes intervalos de tiempo. Con este método no se obtienen tan buenos resultados como con la prehomogeneización de los componentes individualizados y también se aplica menos. La prehomogeneización individual de los componentes es el método más empleado en la industria del cemento para regularizar la composición, Los componentes prehomogenizados individualmente se aportan al proceso de acuerdo con la proyectada composición química y se llevan al molino mediante dispositivos del tipo de recipientes alimentadores o de básculas dosificadoras. El análisis químico del Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 53 material que sale del molino proporciona información acerca de las correcciones que eventualmente se hayan de realizar. Para la formación de los lechos de mezcla son adecuados materiales desmenuzados de hasta 25 mm. La calidad del lecho viene determinada por el tipo de material y el modo de realizar el apilamiento. La formación de lechos de mezcla se suele practicar a lo largo de un eje longitudinal, mientras que el vaciado se efectúa transversalmente. En el apilamiento para lechos de mezclas se aplican los siguientes métodos: 1. Realización con estructuras a dos aguas, como un tejado (método Chevron): En este tipo de lecho de mezcla, el apilamiento se realiza con una cinta transportadora con dispositivo para descarga. En la formación del apilamiento, las capas individuales quedan dispuestas unas encima de otras en forma de cubierta de dos aguas. El apilamiento es sencillo, puesto que a lo largo del lecho de mezcla sólo se utiliza un punto de descarga. Trabajando con materiales de granulometría extensa, con este método se pueden producir segregaciones, de modo que los granos gruesos ruedan hacia abajo y la parte inferior del lecho de mezcla queda enriquecida con el material más grueso. Figura 9.8. Estructura a dos aguas de un lecho de mezcla. 2. Formación por filas (método Windrow): Para evitar los efectos de la segregación y el consiguiente aumento de gruesos en la base del apilamiento, en muchas ocasiones se elige la formación del apilamiento por filas. En este tipo de formación de lechos de mezcla, las capas de material estás dispuestas en filas, unas a continuación de las otras y por serias de filas superpuestas; con tal disposición se dan pocas posibilidades a la segregación Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 54 por razones de granulometrías de espectro amplio. Cuanto mayor es el número de filas, tanto menor es la diferencia granulométrica que presenta el apilamiento en sus distintas alturas. Figura 9.9. Estructura por filas de un lecho de mezcla. Para formar lechos de mezcla, todavía hay una seria de métodos distintos a los citados, como por ejemplo: 3. Formación por superficies 4. Formación por franjas longitudinales 5. Formación por apilamiento continuo 6. Apilamiento alternativo Figura 9.10. Sección de un lecho de mezcla formado por capas. Figura 9.11. Formación de un lecho de mezcla por bandas longitudinales. Figura 9.12. Apilamiento continuo de un lecho de mezcla. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 55 Figura 9.13. Apilamiento cambiante de un lecho de mezcla 9.3 Desecación de las materias primas Por lo general, las materias primas para cemento contienen tanta humedad que, en el trabajo por vía seca, se han de desecar antes de su molienda. También el carbón, la mayoría de las veces, se ha de secar. Junto al proceso por vía seca, en el que el material es secado durante el proceso de molienda, en la industria del cemento la desecación también se practica en secadores de tambor, secaderos rápidos (con paletas lanzadoras), secaderos por choque (trituradores por choque dispuestos simultáneamente como secaderos), molienda–desecación en tándem (combinación de trituradores de martillos con molinos de tubo recorridos por gases calientes), en ciclones y en la molienda autógena (molino Aerofall). 9.3.1 Secadores de tambor Es un cilindro de chapa soldado, con espesores de 10 a 20 mm según el tamaño del secadero. La longitud del tambor alcanza 50 m para diámetros de hasta 5 m. La mayoría de las veces se suministran como tambores giratorios apoyados en dos pares de rodaduras (aro – rodillo). Se instalan con una pendiente que va de 3° a 6° y el material recorre el tambor secadero en unos 20-40 minutos. Se pueden distinguir dos tipos: - Secaderos a contracorriente: Son secaderos con dirección de traslación opuesta para los gases calientes y el material que se ha de secar, es decir, que los gases ingresan en el secadero por el Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 56 punto en que el material lo abandona, tal y como se muestra en la figura 9.14. En este secadero hay que contar con un importante recalentamiento del material que hay que secar, puesto que éste, ya muy avanzada su desecación, queda en contacto con los gases a su más alta temperatura, lo cual, en el caso de la caliza, puede estar ligado a la producción de una disociación parcial no deseada. La diferencia de temperaturas entre los gases calientes y el material que hay que secar, en conjunto, es más pequeña que en el proceso en que ambas corrientes de gases y material se introducen en la misma dirección. En consecuencia, la eficiencia de desecación en los secaderos a contracorriente es más pequeña que para los de ambas corrientes en la misma dirección. Figura 9.14. Secadero de tambor a contracorriente - Secaderos con igual dirección del flujo de gases y del material En los secaderos de este tipo, la dirección de traslación de los gases calientes y el material que hay que secar es la misma. Los gases calientes se enfrentan, de modo inmediato, con el material que con toda su humedad y su baja temperatura. Como consecuencia del elevado gradiente de temperatura entre los gases y el material húmedo, se elimina la mayor parte del agua en el primer tramo del tambor secadero y por lo tanto, la evaporación del agua es relativamente pequeña en el resto de aquél. En estos secaderos, puede elevarse la temperatura de los gases que ingresan en él, sin perjudicar el material que hay que secar, cuando se quiere conseguir una acción de secado más intensa. También se puede regular la humedad final a cualquier valor impuesto por las circunstancias. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 57 En la elección del tambor secador hay que considerar, ante todo, las propiedades físicas del material que se va a secar, tales como tamaño del grano, tendencia a cambios de estructura durante el secado, comportamiento en la corriente de gases, tiempo de secado, etc. Los materiales plásticos, tales como la arcilla y el limo, suelen secarse con corrientes de flujo paralelo para impedir, por la acción inmediata de los gases calientes sobre el material húmedo, la soldadura o coagulación del material a la entrada del secadero. En los secaderos a contracorriente, las masas plásticas en el proceso de desecación frenan el avance del material a lo largo del secadero y con ello producen una disminución de la capacidad de desecación. En la desecación del carbón en secadores de flujo paralelo, se rebaja de modo importante el peligro de combustión del material. En los secaderos a contracorriente, el contacto de los gases calientes con el carbón, ya seco, favorece su combustión. Por el contrario, se produce más polvo en el caso de los secaderos de flujos paralelos que en los de contracorriente. Es frecuente que los secaderos de tambor se conecten a continuación de los hornos modernos con intercambiador. En este caso, se depuran los gases finales del secadero en los filtros de polvo de los hornos. Por todo esto dicho, el secador que más conviene es un secador con igual dirección del flujo de los gases y del material. La transmisión de calor en los secadores de tambor se produce por convección, es decir, que el intercambio de calor se produce en las partículas que están en contacto directo con los gases calientes. La conducción y la radiación prácticamente se pueden despreciar. Para utilizar al máximo la transmisión de calor por convección, el interior del secadero está dotado con dispositivos de elevación del material para comunicarle movimiento por caída en cascada y asegurar con ello un contacto prolongado e íntimo con los gases calientes. Para el secado de las materias primas para el cemento, se pueden utilizar como combustibles carbón, fuel–oil y gases combustibles. Los secaderos de tambor también funcionan con gases residuales del horno o con aire residual caliente de los Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 64 9.5. Almacenamiento de las materias primas Las instalaciones de ensilado son importantes en el recorrido de las materias primas y sirven para almacenar y homogeneizar la mezcla. Para asegurar una explotación continua de los hornos es necesario tener un cierto aprovisionamiento de crudo. Mientras que los hornos marchan sin parar, los molinos funcionan de forma intermitente. Variaciones importantes en el recorrido de los materiales pueden sobrevenir como consecuencia de perturbaciones en la explotación. Un paro en los molinos puede llevar consigo una falta de crudo en los hornos, así como un paro de estos últimos tendrá como consecuencia una acumulación de materiales antes de los molinos. Los silos tienen por objeto regularizar el recorrido, además es conveniente que reposen y se enfríen los materiales molidos. Los silos hacen posible la homogeneización de la mezcla que, para obtener un clínker de calidad, debe mantenerse lo más constante posible. Por muy cuidadosa que sea su composición y su fabricación, se producen siempre en la molienda, a pesar de todo, ligeras variaciones que serán anuladas totalmente a su paso por los silos. 9.5.1. Silos de crudo El crudo procedente de la sección de molienda se almacena en silos, cuyo número y capacidad dependen de la producción de la fábrica. En general, se admite que deben poder contener, por lo menos, de tres a cinco días de producción, teniendo en cuenta, como regla general, que un silo deberá contener la producción de un día. La instalación del ensilado está provista de aparatos de transporte mecánicos o neumáticos, por medio de los cuales se puede transvasar el crudo de silo en silo para asegurarle una buena homogeneidad. Con tal objeto, será preciso disponer por lo menos de tres silos. El crudo es conducido a los silos 1º y 2º, donde se hallará agitado. El crudo homogeneizado se trasladará al tercer silo, de donde se extraerá para la alimentación de los hornos. El vaciado de los silos se efectúa por vises, por cadenas transportadoras, por aerodeslizadores o simplemente por aire comprimido. En la mayor parte de las instalaciones nuevas, transportes, trasvases y vaciados se efectúan ahora por aire comprimido. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 65 Los silos pueden tener fondo plano o fondo inclinado de 60° sobre la horizontal y ser de sección cuadrada o circular. Los silos redondos pueden alcanzar las mayores dimensiones a causa de las ventajas que presenta su construcción desde el punto de vista de la repartición y ligazón de los hierros y de los esfuerzos. 9.6. Homogeneización del crudo Antes, para fabricar cemento de alta calidad, se prefería la vía húmeda, puesto que en la homogeneización de la pasta se conseguía la mezcla íntima de los componentes del crudo. Los avances en las disciplinas de la aerodinámica y la neumática han hecho posible, para la industria del cemento, la homogeneización neumática de la harina de crudo seca con la que se logra la misma homogeneidad neumática del crudo que por vía húmeda. Este hecho, unido a la correspondiente disminución de consumo de calor, ha comportado una creciente preferencia por el proceso de fabricación de cemento por vía seca. Es práctica normal en la industria del cemento proceder a la mezcla y la homogeneización de las materias primas trituradas antes de proceder a la molienda del crudo. Normalmente se forma lo que se llama un estrato de mezcla, o sea, un apilado de piedra triturada destinado no tan sólo a su almacenaje, sino dispuesto para realizar las operaciones que puedan afectar a una homogeneización preliminar de su composición. Se construyen silos equipados especialmente para el almacenado y la homogeneización del crudo. El elemento básico de la mezcla en seco por vía neumática lo constituyen las cajas de dispersión de aire con que se dotan los fondos de los silos, realizadas según distintos tipos de organización. Esta última circunstancia ha conducido a los distintos procesos de homogeneización de crudo existentes en la práctica. El componente principal de las cajas de dispersión de aire son las placas cerámicas porosas. También se han fabricado placas microporosas de metales fundidos (metales sinterizados) de composiciones diversas y últimamente se han aplicado además tejidos textiles de diversas fibras. También se han informado acerca de unidades para aireación compuestas por dos capas de material cerámico. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 66 A través de las placas porosas, el aire se impulsa a presión sobre el crudo y engendran en su seno finísimas corrientes de aire, con lo cual el crudo pasa a un estado de seudo líquido. Es común en todos los procedimientos de homogeneización que, por aireación de la totalidad de la superficie del fondo del silo a través de todas las cajas dispersoras, se logre en primer lugar la separación individualizada de las partículas, a la cual sigue un violento movimiento turbulento, como consecuencia de la aireación intensiva de una parte del fondo del silo. Según el tipo de proceso de homogeneización, el fondo del silo es aireado en el 55–75 % de su superficie. Los elementos para la aireación son semipermeables, es decir, el aire penetra a través de las placas hacia arriba, mientras que cuando se suspende el acceso de aire, el polvo no puede caer hacia abajo a través de las placas. En los últimos veinte años se han desarrollado diversos procesos de homogeneización. 9.6.1. Proceso Fuller A este proceso de mezcla por aire, también se le conoce por el nombre de sistema por cuadrantes. En este caso, las cajas de dispersión de los fondos de silos están reunidas en cuadrantes, tal y como se muestra en la figura 9.17. Cada uno de la serie actúa como cuadrante de mezcla según cierta secuencia, mientras que los otros tres lo hacen como cuadrantes de aireación. La aportación total de aire la suministran dos compresores, uno para el aire de mezcla y el otro para el de aireación. El volumen de aire para la mezcla alcanza el 75 % y el aire para los tres cuadrantes de aireación el 25 % del total. Mediante esto, se crea una columna de material muy aireado, de pequeña densidad, por encima del cuadrante de mezcla. El material sobre los cuadrantes de aireación, más denso, penetra de modo constante en la columna de material dispuesta sobre el cuadrante de mezcla y desplaza al material ligero hacia arriba, con lo cual se establece una circulación vertical y permanente del material. Cada uno de los cuadrantes, se alimenta con aire para mezclar a intervalos de tiempo previamente fijados, con lo que se alcanza una homogeneización casi perfecta del crudo. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 67 En la actualidad existe la tendencia a realizar la prehomogeneización de los componentes del crudo, lo que reduce mucho las fluctuaciones de la composición del mismo crudo en la entrada a la homogeneización. Figura 9.17. Silo de homogeneización con el sistema de cuadrantes incorporado 9.6.2. Otros sistemas Existen otros sistemas de homogeneización del crudo, como por ejemplo: El proceso Polysius. Este procedimiento consiste básicamente en sectores, como en el proceso Fuller. Consiste en airear simultáneamente, dos sectores diametralmente opuestos y un campo circular en el centro del fondo de los silos. El proceso de homogeneización por franjas consiste en que la superficie del fondo del silo de homogeneización está dividida en 5 franjas de mezcla, donde la aireación es alternada y genera un desplazamiento constante del material contenido en el silo que produce la homogeneización. El proceso Möller de corriente en cizalla es un sistema en que se ha subdividido el fondo del silo en cuatro campos de aireación. En todo momento sólo uno de los campos dispuestos en la periferia del silo está siendo aireado de modo intenso; en ese intervalo el resto de los campos está siendo alimentado con aire para soltar las partículas del crudo. Esto origina un movimiento turbulento de la mezcla de Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 68 crudo-aire, de modo que se crea un movimiento de cizalla dirigido hacia abajo en el resto de los campos. El sistema IBAU de cámara neutral es un proceso continuo de mezcla que utiliza los silos simultáneamente como depósito para alimentación de crudo. La mezcla, es realizada en el vaciado de tal modo que los estratos formados por ingreso en el silo del material molido fluyen juntos unos con otros a modo de trombas y con ello se mezclan. 9.7. Hornos Para la cocción del clínker de cemento se emplean hornos verticales de cuba o bien hornos rotatorios. Los hornos verticales se utilizan únicamente para el método por vía seca; en cambio, los hornos rotatorios pueden ser empleados tanto en la vía seca como en la húmeda. 9.7.1. Hornos verticales En el horno vertical no puede introducirse el crudo en forma de polvo sin preparación alguna, sino que antes debe ser granulado o briquetado a fin de que el contenido de la cuba del horno no quede demasiado compacto y dificulte el paso del aire inyectado. Los hornos verticales se calientan con coque o carbones bajos en volátiles porque si se calentaran carbones ricos en volátiles se perdería gran cantidad de calor con los gases de escape. Todos los esfuerzos de estos últimos tiempos se han encaminado al perfeccionamiento de los hornos verticales automáticos a fin de hacer mayor su producción y mejorar las cualidades del clínker producido en ellos, a fin de hacerlos aptos para competir con los hornos rotatorios. La forma de cocer el clínker en los hornos verticales exige una distribución uniforme del combustible subdividido en trozos de tamaño suficientemente pequeño. Una granulometría poco fina de éste retrasa su combustión y alarga la zona de cocción, lo que puede conducir a un descenso de la temperatura de cocción y obtener Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 69 una clinkerización defectuosa. El tamaño granulométrico del combustible no puede ser fijado de una manera uniforme para todos los casos y circunstancias de la cocción pues dependerá de las propiedades de las primeras materias o del crudo, así como de la plasticidad y compacidad de las probetas. En este aspecto hay que tener en cuenta que cuando la combustión es rápida se logra una temperatura elevada y con ella una rápida y buena clinkerización. Se mezclan el crudo y el combustible en adecuadas proporciones y se moldea la mezcla agregando la debida cantidad de agua, que suele estar entre un 8 y un 14 %, según la clase de crudo y la máquina empleada para el moldeo. Para los hornos de alta producción, se granula la mezcla de crudo y combustible en tambores especiales o en platos granuladores dispuestos en forma inclinada, con lo que la masa queda moldeada en forma de bolitas, adquiriendo así la máxima superficie posible. La granulación se ha ido introduciendo en estos últimos tiempos por todas partes, admitiéndose que es el método más ventajoso. El aire necesario para la cocción se inyecta debajo de la parrilla para que se produzca en la cuba del horno, el cual queda encerrado con obturadores que lo incomunican con el exterior, sin que el aire pueda, a su vez, entrar libremente hacia el horno. Para clinkerizar el crudo y hacerle atravesar la zona de cocción tan rápidamente como sea posible, es necesario asegurar la inyección del aire en cantidad suficiente con una correcta distribución. A este fin, parte de este aire debe ser inyectado en la parte alta del horno, justo en la zona de cocción o debajo de la misma, como aire adicional. Los hornos verticales se construyen de unos 2 a 3 m de diámetro por unos 3 ó 10 m de altura de la cuba, para capacidades de producción de 80 a 200 toneladas cada 24 horas. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 70 Figura 9.18. Horno vertical. 9.7.2. Hornos rotatorios Estos hornos constan de un tubo cilíndrico dispuesto algo inclinado (de un 3 a un 5 % sobre la horizontal), que en su interior lleva un forro de material refractario. Los hornos de pequeño diámetro tienen una inclinación mayor que los de diámetro grande. El material se introduce en el horno por su extremo superior y la calefacción (la llama) se aplica por el otro extremo, el inferior, es decir, que tales hornos trabajan a contracorriente. El combustible inyectado puede ser carbón pulverizado, petróleo o gas. El tubo descansa sobre dos o varios pares de rodillos, según su longitud. Éstos están dispuestos bajo el horno de tal forma que las líneas que pasan por el eje del horno y los ejes de los rodillos forman con la vertical un ángulo de 30º. Su posición exacta se determina y regula según la de los aros de rodamiento cuando el horno está a la temperatura de trabajo, es decir, teniendo en cuenta el alargamiento del tubo. Existen los siguientes tipos principales de cilindros para horno rotatorio, en proceso de vía seca: - Horno rotatorio con diámetro unitario - Horno rotatorio con zona de sinterización ensanchada - Horno rotatorio con zona de calcinación ensanchada - Horno rotatorio con zona de sinterización y calcinación ensanchadas Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 71 - Horno rotatorio con zonas de desecación o precalefacción ensanchadas (horno largo vía seca o vía húmeda) La ampliación del diámetro en algunas zonas del tubo del horno tiene por objeto prolongar el tiempo de permanencia, con el correspondiente descenso de la velocidad de los gases y así mejorar la transmisión del calor al material. Sin embargo, por esas zonas se producen diferentes tiempos de paso del material a lo largo del horno, que generan desplazamientos irregulares de aquél, influyendo desfavorablemente en la explotación del horno. En la transición de las secciones ampliadas a las que no lo han sido se producen retenciones del material que ocasionan rozamientos y producen polvo. La realización de las piezas de transición es más cara que las de virolas cilíndricas. El vestido del material refractario de las zonas de transición es complicado, costoso en trabajo humano y exige configuraciones especiales para los ladrillos. Una forma especialmente desfavorable, bastante usual, presenta estrechada la salida del horno. Tal solución únicamente conduce a un enfriamiento parcial del clínker en el horno y a la rápida inutilización del revestimiento refractario en esta sección. Tanto la experiencia, la práctica, como las consideraciones teóricas han llevado a la conclusión de que la forma más favorable para el horno es aquella en que se han suprimido las ampliaciones o los estrechamientos de la sección. Los hornos rotatorios dotados con intercambiadores de calor muestran ya, en todas partes, sección unitaria Figura 9.19. Tipos de hornos rotatorios Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 72 Pendiente del horno No hay ninguna regla válida para determinar la pendiente de los hornos rotatorios. Su valor oscila entre el 2-6 %. Aunque la mayoría de los hornos están instalados con pendientes entre el 2-4 % con relación a la horizontal ya que las pendientes pequeñas requieren velocidades más altas y esto ofrece la ventaja de favorecer la mezcla del material originando un intercambio de calor más intenso. También, si la inclinación es pequeña se alcanza un grado de llenado más alto. Los grados de llenado fluctúan entre los límites del 5-17 %. En la explotación práctica del horno, el grado de llenado no debe pasar el 13 %, pues valores superiores empeoran la transmisión de calor. Mientras que los diámetros de los hornos eran de 2-3 m, se hablaba de modo general del número de vueltas del horno. Sin embargo, actualmente por haber hornos de 6 o más metros de diámetro, la velocidad del movimiento rotatorio del horno se expresa por la velocidad tangencial o periférica en lugar de hacerlo por el número de vueltas. Para la explotación económica del horno se utilizan velocidades periféricas de 38-40 cm/s. Se puede regular a voluntad el tiempo de permanencia del material en el horno, eligiendo la pendiente adecuada así como la variación del número de vueltas en la unidad de tiempo. Transporte del material en el horno rotatorio En general, en el horno rotatorio se desarrollan dos procesos: - Proceso termoquímico. - Transporte de material. El proceso termoquímico condiciona que el material no avance con velocidad regular en el horno. Con velocidad angular constante, el material se desplaza a diferente velocidad en las distintas zonas. Las diferencias en la velocidad de paso son consecuencia de las variaciones físicas y químicas a que está sometido el material durante el proceso de cocción en el horno. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 73 Zonas del horno rotatorio En un horno rotatorio normal, no conectado con intercambiador térmico de ningún tipo, se pueden distinguir diferentes zonas, cuyas longitudes están expresadas en porcentajes de la longitud total del horno en la tabla 9.1. Tabla 9.1. Longitudes de cada zona en un horno rotatorio % longitud del horno Zona Temperatura (ºC) 33 Secado (vía húmeda) 120 14 Precalefacción 100-550 25 Calcinación 550-1100 20 Sinterización o cocción 1100-1450 8 Enfriamiento 1450-1380 Estas zonas del horno no se pueden delimitar con exactitud porque las temperaturas de los gases del material y de las caras internas del horno son difíciles de determinar y las reacciones que se desarrollan en ellas se superponen parcialmente o discurren paralelamente. En el horno rotatorio se realizan los siguientes procesos: - Liberación del agua combinada en las sustancias arcillosas. - Disociación del carbonato de magnesio. - Disociación del carbonato de calcio. - Combinación de la cal con los minerales de la arcilla, es decir, formación de los minerales principales del clínker que discurre de acuerdo con la ecuación: 12 CaO + 2 SiO2 + 2 Al2O3 + Fe2O3  3CaO · SiO2 + 2CaO · SiO2 + 3 CaO· ·Al2O3 +4 CaO · Al2O3 · Fe2O3 Para evitar el acceso de aire del ambiente al horno rotatorio, se colocan en sus dos extremos dispositivos para un cierre estanco en las uniones con otras secciones del proceso. En el extremo caliente: el aire falso ocasiona el desplazamiento del aire secundario caliente procedente del enfriador. La presencia del aire del ambiente Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 80 granulado (nódulos) formado por humedecimiento del polvo crudo en un aparato nodulizador adecuado. La invención del intercambiador de calor por suspensión del crudo en la vena gaseosa aplicando ciclones dispuestos en cuatro tramos, supuso el desarrollo decisivo de la economía térmica del proceso de vía seca, pues hizo posible rebajar la temperatura de los gases residuales del horno a unos 330 °C, no conseguida hasta entonces. El intercambiador de ciclones en cuatro tramos para la calefacción del crudo de cemento halló aplicación práctica en la industria del cemento a partir de 1950. El intercambiador de ciclones consiste en cuatro ciclones dispuestos uno encima del otro. Para lograr una mejor separación, el último tramo, el situado más alto, está dispuesto como ciclón doble. Los ciclones están conectados entre sí por tuberías ascendentes de sección cuadrada, pero la tubería superior es de sección circular. Cada ciclón y su tubería forman un tramo del intercambiador, tramos que van numerados del I al IV de arriba abajo. Las tuberías de salida del polvo de los ciclones desembocan en las tuberías de los gases ascendentes del tramo situado debajo. La tubería de salida del polvo del tramo IV desemboca en el horno. El intercambio térmico se realiza en los tubos ascendentes y en los ciclones, individualmente considerados, en una corriente de la misma dirección para el polvo y los gases. Como conjunto, el intercambiador de calor trabaja a contracorriente de modo gradual. El intercambio térmico se verifica en estado de suspensión. La gran superficie que presenta el crudo en el intercambiador produce un intercambio muy activo. La parte más importante de la transmisión de calor se realiza en los tubos ascendentes. Por mediciones técnicas, sobre un intercambiador de cuatro tramos, el 80 % de la transmisión de calor tienen lugar en los tubos ascendentes, mientras que en los ciclones sólo se transmite un 20 %. El contenido térmico de los gases de salida del intercambiador permite ser recuperarlo para el secado de materias primas. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 81 Figura 9.22. Precalentador de ciclones de cuatro etapas Los sistema precalcinadores se desarrollaron para transferir una parte del tratamiento térmico del material del horno al precalentador, es decir, hacer que este último contribuya más al proceso de cocción del horno que no tan sólo precalentando al crudo. Una característica común a todos los sistemas precalcinadores es la de dividir la entrada de combustible entre dos unidades de quemadores, una en el horno y otra en los precalentadores de suspensión. El proceso presenta la gran ventaja de permitir el uso del combustible de bajo poder calorífico y de alto contenido en cenizas para su quema en el calcinador, donde una combustión sin llama a temperatura relativamente baja, inferior a 900 ºC, es suficiente para conseguir la descarbonatación pretendida. Así pues, quemando en el calcinador un 60 % del combustible necesario, el material entra en el horno descarbonatado en un 90 %. Un horno rotativo provisto con un precalentador de ciclones ya instalado, al añadirle un precalcinador, verá aumentada su capacidad de clínker en un 100 % según los casos. En hornos de nueva implantación, equipados con precalcinadores, es posible alcanzar producciones de clínker hasta tres veces mayores comparadas con las que se consigue en hornos rotativos convencionales con precalentadores, al paso que también podrán reducirse las dimensiones del tubo rotativo en longitud y diámetro. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 82 9.9. Combustibles En cuanto a su estado de agregación, los combustibles se clasifican en sólidos, líquidos y gaseosos. Los tres estados tienen aplicación en la industria del cemento. Entre los combustibles sólidos hallamos el carbón de hulla, los lignitos, la turba, la madera y el cok. Tanto la hulla como el lignito se utilizan en los hornos rotatorios y en los secaderos mientras que el cok en los hornos verticales. De los combustibles líquidos se emplean, ante todo, los distintos tipos de fuel. De los combustibles gaseosos, en la industria del cemento la mayoría de las veces se usa el gas natural. Mientras que en los primeros tiempos de la producción del cemento se utilizó casi exclusivamente el carbón de hulla, la tendencia moderna se ha orientado hacia el fuel–oil y el gas natural, debido a la fuerte carga salarial que implica el carbón. Los costes de inversión de las instalaciones de abastecimiento de carbón son veinte veces más caras que las de fuel y las de gas natural. Por su parte, los costes de transporte de gas natural son de tres a cinco veces menores que las del fuel. El envío de gas natural no exige ningún elemento de transporte y el coste de la obra civil y de los elementos para las canalizaciones sólo representan una fracción de los costes de la obra civil en el establecimiento de ferrocarriles para el transporte de carbón. Las inversiones para las canalizaciones en el suministro del gas natural se amortizan entre tres y cinco años. Por otra parte, utilizando las canalizaciones para el gas natural, la industria del cemento queda ligada a un solo proveedor. Los costes de las instalaciones de preparación del carbón, en una fábrica de cemento, suponen aproximadamente del 15–20 % del coste de la totalidad de la maquinaria. Frente a esto, el gas natural presenta la ventaja de que no son necesarios gasómetros para el almacenado del gas en fábrica desde que este combustible llegue a la planta a través del oleoducto en caudal constante y, a parte de la instalación del reductor de presión (el gas natural se recibe canalizado a presiones comprendidas entre 10 y 70 bares, las cuales deben reducirse a una banda de 3 a 10 bares en una estación reguladora para su empleo en la fabricación de cemento), no necesita de ningún tratamiento preliminar para su uso en las fábricas de cemento. Los combustibles líquidos se almacenan en uno o varios depósitos, provistos de un sistema de calefacción para reducir la viscosidad del aceite y de un túnel para la acomodación del tubo de descarga. La capacidad de almacenaje también depende de Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 83 las condiciones particulares del lugar y del consumo previsto en la fábrica. El único tratamiento que precisa el aceite combustible es el calentamiento a 50 ºC para su bombeado y a 120 ºC para pasar al quemador. No debe olvidarse la instalación de filtros de aceite. El carbón puede almacenarse al aire libre, en carboneras o en silos. En general se suministra bajo la forma de “menudos lavados”, por lo que debe secarse y molerse antes de poder quemarse en los hornos. Conviene que para su descarga estén las carboneras provistas de salidas con amplia abertura a fin de prevenir atascos debidos a las pobres propiedades de derrame que tiene el carbón. La determinación de la capacidad de almacenaje depende de las condiciones locales y del consumo medio de cada fábrica. Las condiciones de seguridad para el carbón almacenado deben cumplirse rigurosamente. 9.10. Enfriamiento del clínker El clínker caliente a la salida del horno, se trata seguidamente en los enfriadores. Lo que todos los enfriadores de clínker tienen en común es el flujo directo del aire de enfriamiento (que puede ser a contracorriente o transversalmente a través del clínker) y que el aire caliente sirve como aire secundario para la combustión en el horno, ya sea en su totalidad o en parte. El enfriamiento del clínker influye sobre su estructura, composición mineralógica, molturabilidad y con ello sobre las propiedades del cemento que con él se fabrique. El enfriamiento del clínker es necesario porque: 1. El clínker al rojo no es transportable. 2. El clínker caliente influye desfavorablemente en la molienda del cemento. 3. El aprovechamiento del contenido térmico del clínker caliente disminuye los costes de producción. 4. Un proceso de enfriamiento adecuado perfecciona las propiedades del cemento. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 84 La velocidad de enfriamiento del clínker influye en la relación entre la fase cristalina y vítrea de éste. Por enfriamiento lento, casi todos los componentes cristalizan, mientras que el enfriamiento rápido frena la formación de cristales y por ello, una parte del fundido se solidifica en estado vítreo. El enfriamiento rápido impide además el crecimiento de los cristales. El enfriamiento rápido influye especialmente sobre el comportamiento del óxido de magnesio y con ello, sobre la estabilidad del volumen de cemento fabricado con el clínker. Cuanto más rápido es el enfriamiento del clínker, tanto menos numerosos serán los cristales de periclasa (óxido de magnesio) que hayan podido formarse a partir del fundido. Hay cuatro tipos de enfriadores de clínker: 1. Enfriador de tambor rotatorio, dispuesto debajo del horno. 2. Enfriadores planetarios; tubos dispuestos en la periferia del extremo de salida del clínker del horno. 3. Enfriador de parrilla. 4. Enfriador de cuba (o vertical). 9.10.1. Enfriador de tambor rotatorio El enfriador de tambor rotatorio es el más antiguo de los enfriadores de clínker, construido siempre para acción conjunta con el horno. El tambor enfriador consiste en un tubo rotatorio instalado a continuación del horno. Los hornos rotatorios de 60-90 m de largo disponen de enfriadores de 2 a 5 m de diámetro y de 20-25 m de largo. Los enfriadores presentan pendientes de 4a 7con la horizontal, la mayoría de las veces en dirección opuesta a la del horno, apoyados mediante dos juegos de aros de rodadura y se accionan independientemente del horno mediante corona y piñón. El número de vueltas de los tambores enfriadores varía entre 0-8 vueltas/minuto. Aproximadamente, en el 70 % de la longitud del enfriador de tambor hay paletas elevadoras o listones elevadores de material cerámico refractario o de aceros de alta resistencia al desgaste. Tales dispositivos elevan el clínker y después lo dejan caer, con lo que entran en contacto íntimo el aire de enfriamiento y el clínker, y con ello se aumenta el rendimiento del enfriador. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 85 Desde la introducción del enfriador de parrilla y la reinstalación del enfriador planetario sólo raramente se construyen enfriadores de tambor rotatorio. Figura 9.23. Corte longitudinal de un enfriador de tambor con horno rotatorio 9.10.2. Enfriador planetario: construcción antigua El enfriador planetario consiste en varios tubos, a lo sumo 10 u 11, situados en la periferia del extremo más caliente del horno, dispuestos en forma de corona y constituyendo una parte integrante del horno. Los enfriadores planetarios se mueven conjuntamente con el horno, sin tener accionamiento propio. Los tubos enfriadores individuales están, hasta el 25 % de su longitud, revestidos con material refractario; el resto, a fin de que produzca un intercambio térmico intenso, va provisto con cadenas o dispositivos elevadores para su vertido ulterior. El clínker corre a través de aberturas practicadas en la envolvente del horno para entrar en los tubos enfriadores. El enfriamiento se realiza a contracorriente. La totalidad del aire de enfriamiento llega al horno como aire secundario de combustión. Figura 9.24. Enfriador planetario antiguo Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 86 9.10.3. Enfriador planetario: construcción moderna La característica principal del nuevo enfriador planetario es la prolongación hacia adelante del tubo cilíndrico de chapa del horno y la incorporación de una estación adicional de aro-rodillos sobre la que se apoya la parte prolongada del horno. Esto posibilita utilizar tubos planetarios mayores sin menoscabo de la capacidad portante del tubo del horno. Para lograr mejor transmisión de calor, los tubos enfriadores van provistos interiormente de ladrillos refractarios y listones elevadores y sobre todo, de dispositivos de acero refractario y de acero fundido para llevar al clínker a un contacto íntimo con el aire frío. Figura 9.25. Sección longitudinal del horno rotatorio con enfriadores planetarios del tipo de construcción moderna 9.10.4. Enfriador de parrilla Al enfriador de parrilla para clínker con templado por aire, generalmente se le conoce como enfriador Fuller por haberlo desarrollado y construido este mismo. El desarrollo de este enfriador centró la atención en la mejoría de la calidad del cemento por el enfriamiento rápido del clínker. Simultáneamente se comprobó que en él se producía un intercambio térmico muy bueno entre el aire de refrigeración y el clínker caliente. Frente al enfriador de tambor, el Fuller requiere un 20 % menos de espacio para su instalación, además de que permite el control exacto de la temperatura del aire secundario y de la temperatura del clínker y tiene muy pocas pérdidas por radiación y convección. Con el enfriador Fuller es posible el rápido enfriamiento inicial del clínker, lo que es de gran importancia para la formación del silicato tricálcico, y hace posible Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 87 que, al entrar en el enfriador, el clínker tenga una temperatura del orden de 1360 a 1400 C, con lo que su rendimiento térmico se eleva un 72-75 %. Utilizando un exceso de aire de enfriamiento puede bajarse la temperatura del clínker hasta por debajo de 65 C, lo cual permite la molienda inmediata del clínker. A diferencia de los enfriadores de tambor y de los planetarios, en los cuales el enfriamiento del clínker se realiza casi exclusivamente en una corriente transversal, en el enfriador Fuller se efectúa en esa dirección y contracorriente. El tipo más moderno de enfriador Fuller consta de: - Parrilla inclinada - Parrilla corta horizontal - Triturador de clínker - Parrilla larga horizontal La ventaja de esta disposición estriba en que los trozos gruesos de clínker se pueden enfriar intensivamente después de triturados. Existen otros enfriadores de parrilla como: - Enfriador Recupol de Polysius. Es un ejemplo de enfriador de parrilla móvil, ampliamente extendido. La parrilla consiste en una correa o cadena sin fin, formada por elementos sueltos. Durante el proceso de enfriamiento, el clínker permanece sobre las placas de la parrilla móvil, las cuales, estando en constante movimiento, tan sólo se exponen por breve tiempo a temperaturas elevadas. Una ventaja adicional es que cualquier placa averiada puede sustituirse por otra nueva sin paro de la instalación. - Enfriadores de parrilla de vaivén. Las parrillas de vaivén están formadas por filas alternadas de placas fijas o móviles, soportadas mediante tés atornilladas a las jácenas que sirven de soporte a la parrilla. Desde la zona caliente del enfriador, el clínker es empujado hacia el extremo de salida al paso que sufre una continua agitación en su marcha a través del enfriador. A la salida, el clínker va a una criba de barras donde se caen la mayor parte de los gránulos, mientras que los gruesos se llevan a una trituradora de martillos. En toda la longitud del enfriador se introduce aire Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 88 a través de varios compartimentos por debajo de la parrilla, pasando a través de las placas y del lecho del clínker, enfriándolo. Figura 9.26. Enfriador de parrilla con vaivén, convencional inclinado - Enfriador de parrilla simple. Hoy en día, tan sólo se usa como pre-enfriador seguido de un enfriador de gravedad para el post-enfriado, o bien se emplean enfriadores combinados. 9.10.5. Enfriador de cuba (vertical) Es similar al horno vertical (de cuba), el cual, cada día menos utilizado, es una combinación de aparatos de cocción y de enfriador de clínker en una unidad como máquina. El enfriador de cuba consiste en una cámara en forma de cuba vertical, revestida de material refractario dotada con parrilla de barras, tolva de extracción y esclusa de tres cámaras estancas al aire. El clínker cae en la cuba cilíndrica vertical y sigue su curso hacia la salida donde es extraído a través de una parrilla formada por un cierto número de rodillos rompedores. Las canalizaciones de unión y los aparatos de regulación y de medida pertenecen a las instalaciones auxiliares. La parte superior de la cuba tiene un diámetro más pequeño para elevar la velocidad del aire en esa sección y crear con ello el efecto de lecho fluidizado. Como consecuencia de esto, en la parte superior el material se comporta como un fluido y se alcanza una distribución regular del clínker que llega del horno sobre la sección total del enfriador en aquella zona. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 89 Puesto que en el enfriador de cuba la refrigeración se produce por choque térmico, la calidad del clínker así tratado es equivalente a la obtenida en el enfriador de parrilla. Figura 9.27. Enfriador de cuba vertical 9.10.6. Enfriador por gravedad El enfriador por gravedad sirve únicamente de postenfriador por tratar con clínker previamente enfriado a cerca de unos 500 ºC y en el cual los trozos mayores han sido ya triturados hasta el tamaño que el enfriador puede recibir. El clínker se distribuye por medio de una cadena arrastradora y desciende por el enfriador tan sólo por la acción de la gravedad, sin entrar en contacto directo con el aire de enfriamiento. Lentamente, formando una masa compacta, el clínker va bajando por entre los tubos enfriadores, de sección lenticular y dispuestos transversalmente, por dentro de los cuales circula la corriente de aire. Este se sopla al enfriador por su parte baja y va subiendo hacia arriba a través de las sucesivas bancadas de tubos, saliendo del enfriador por el tope. El enfriador forma parte integrante del proceso de cocción del clínker. Horno y enfriador actúan con reciprocidad y deben ajustarse uno y otro con sus respectivas formas de trabajo. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 96 Los grandes silos actualmente usados para el almacenado de cemento no presentan problemas en lo que a su llenado se refiere. En cambio, el problema del vaciado libre presenta muchas más dificultades. Los silos de cemento modernos van invariablemente equipados con sistemas de elevación neumática y asimismo con sistemas neumáticos de descarga con sus aparatos para la regulación del caudal. Un principio común entre todos los sistemas de vaciado neumático consiste en la aireación parcial del suelo o fondo. El objetivo de la operación consiste en introducir tan sólo la cantidad de aire comprimido que sea necesaria para descargar el cemento del silo, manteniendo el consumo de energía lo más bajo posible. La capacidad de las instalaciones depende de las condiciones de salida del producto acabado y por lo tanto deberá ser mayor que la de las instalaciones previstas para las materias primas. 9.14. Ensacado y carga del cemento El ensacado y la carga del cemento en los medios de transporte dependen de las posibilidades de su expedición por ferrocarril, camiones o barcos, y corresponde a la fábrica evaluar los procedimientos más favorables, “en sacos” o “a granel”. Ya se cargue de una manera o de otra, es preciso cuidar de que la operación se verifique sin desprendimiento de polvo y previniendo en la instalación un sistema de filtración ampliamente calculado. La carga exige que la manipulación de los sacos se haga con cuidado. No deben sufrir ningún choque ya que cada saco roto es una pérdida de cemento y una elevación del precio de coste. Antiguamente se utilizaban los sacos de yute, pero en la actualidad se emplean los sacos de papel que se llenan con máquinas ensacadoras de una o varias bocas dispuestas en fila, o en máquinas rotatorias. Las ensacadoras de tipo lineal comprenden una fila de tres o cuatro boquillas de llenado. El nivel de cemento en la tolva de alimentación situada por encima de la máquina debe mantenerse tan constante como sea posible. La disposición más favorable para la instalación de la máquina ensacadora es la siguiente: Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 97 - Elevador de cangilones - Tamiz vibratorio para retener las partículas gruesas - Tolva de almacenado con indicadores de los niveles máximo y mínimo - Válvulas rotativas controladas por el nivel del material sobre la máquina de ensacado - Tolva de ensacado - Máquina ensacadora - Tolva para el cemento recuperado, vertido durante la operación de llenado de los sacos, el cual regresa al circuito En la actualidad, estas máquinas ensacadoras únicamente son usadas para capacidades de llenado de hasta 80 T/h. Por encima de las 120 T/h, la máquina más usada es la ensacadora rotativa. A diferencia de las ensacadoras en línea, en las cuales las boquillas de llenado están montadas estacionariamente, lado a lado exigiendo que el maquinista se mueva, en las ensacadoras rotativas lo que se mueven son las boquillas, situándose, una a una, en una posición frente al maquinista. En ellas la manipulación de los sacos puede ser manual o automática. Los productos cargados en sacos se expiden en cargamentos, bien sea formados por sacos uno a uno tal como salen de las ensacadoras o bien formando unidades de carga paletizadas, es decir, cada una de ellas consistente en un cierto número de sacos apilados y sujetos sobre un estrado (palet). La paletización puede efectuarse directamente sobre la propia plataforma del vehículo que los ha de transportar, o indirectamente, con almacenado intermedio. La carga de sacos con almacenado intermedio varía según el método de soporte y de seguridad de las unidades de carga. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 98 Figura 9.29. Ensacadora rotativa En la carga a granel el cemento se conduce mediante vises transportadores, aerodeslizadores o aparatos neumáticos a los vagones o camiones situados sobre plataformas–báscula, y cuando se ha alcanzado el peso deseado, el chorro de cemento se interrumpe automáticamente. El principal componente de un sistema de carga a granel es el grupo de carga, (comprendiendo la envoltura interior, con puertas para la extracción de polvo), la manguera de carga de doble fuelle (alternativamente se puede emplear un tubo telescópico de acero), la tobera de punta cónica (para su entrada en la boca de carga del vehículo–tanque de transporte granel formando un cierre hermético al polvo) y el indicador del nivel de llenado. Figura 9.30. Carga a granel de cemento Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 99 9.15. Desempolvaduras En la industria del cemento, tanto el producto final como los intermedios son pulverulentos. La producción de polvo es la inevitable secuela que acompaña al proceso de desmenuzamiento y de la manipulación tecnológica de los componentes materiales, indispensables para la producción del cemento Portland. En todas las secciones de la fabricación del cemento se produce polvo. Su desprendimiento constituye una plaga para el personal y para todo cuanto rodea una fábrica de cemento. Ese desprendimiento de polvo origina pérdidas de material no despreciables. Por tales razones, todos los focos de producción de polvo tienen que encerrarse en adecuadas cámaras de captación. Aplicando una aspiración al aire, a los gases de las máquinas y aparatos o a los conductos por donde tales gases circulan, se crea en ellos una depresión que impide que el polvo tienda a salir al exterior. Los tubos de la captación son de tales dimensiones que la velocidad del aire en ellos es de unos 13 m/s en los que llevan fuerte inclinación y de unos 20 m/s en los trayectos horizontales. Las trituradoras de material grueso operan generalmente sobre material que aún lleva la humedad de la cantera y naturalmente no necesitan ninguna captación de polvo. Sin embargo, en casos especiales, cuando hay que trabajar con materias secas, las trituradoras, sean de mandíbulas, de cono, de cilindros, etc., tienen que llevar una aspiración que arrastre el aire cargado de polvo desde la tolva colectora situada debajo de la trituradora. En máquinas encerradas en cajas o envolventes como las trituradoras de martillos y los molinos de martillos, el tubo de la captación puede conectarse directamente a dicha caja o envolvente. Los aparatos de transporte requieren igualmente instalaciones de captación de polvo que aspiren el aire y después de haberlo despojarlo del polvo, lo conduzcan al exterior. Los gases de escape de los secadores y de los hornos arrastran consigo una gran cantidad no despreciable de polvo. La captación del mismo, tratándose de gases que suelen estar bastante calientes, requiere instalaciones especiales. En todas estas instalaciones es preciso cuidar que no haya ninguna entrada de aire, puesto que todo aire infiltrado rebaja el rendimiento. En la explotación de una fábrica de cemento se producen las siguientes clases de polvo: Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 100 1) Polvo de materias primas, es decir, polvo de caliza, marga calcárea, arcilla, minerales de hierro, escorias, etc. 2) Polvo de crudo. 3) Polvo de carbón. 4) Polvo de los gases residuales de la sección de secado de materias primas. 5) Polvo de los gases residuales de los hornos de clínker (polvo de los hornos para cemento). 6) Polvo de clínker. 7) Polvo de yeso. 8) Polvo de cemento. Excepto el polvo de cemento, los otros tipos citados tienen la misma composición que la de los materiales de que proceden. En la fabricación de cemento Portland, el factor más importante de emisión son las partículas sólidas, a las que generalmente se las califica de polvo. Para su separación, la industria del cemento utiliza los siguientes tipos de desempolvadores de tipo mecánico: ante todo, los ciclones para desempolvadura y, en menor escala, las cámaras de polvo además de los filtros de tejidos, los desempolvadores por capas de gravilla y, finalmente, los filtros electrostáticos. Para estar en consonancia con las normas relativas a las emisiones, a veces es menester combinar los distintos tipos de desempolvadores, según la concentración y la temperatura de las partículas emitidas. 9.15.1. Cámaras de sedimentación de polvo Para la predepuración de gases de elevado contenido de polvo, siempre serán de gran interés las cámaras de sedimentación. El modo de operar de estas cámaras se basa en el principio de la disminución de la velocidad en la vena gaseosa, lo que da lugar a la sedimentación del polvo por acción de la gravedad. Son los dispositivos más baratos debido a la sencillez de su construcción, pero también los desempolvadores de rendimiento más bajo, que varía entre el 30-70 %. En las cámaras de sedimentación, la velocidad de los gases no debe sobrepasar 0.5 m/seg. La pérdida de carga está en el intervalo de 5-25 mm de agua. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 101 Figura 9.31. Cámaras de sedimentación de polvo. 9.15.2. Ciclones Un ciclón consta principalmente de dos partes, una cilíndrica y la otra cónica. El gas entra por la parte alta del cuerpo cilíndrico de manera tangencial y se mueve en espiral a lo largo de la pared hacia abajo, casi hasta la parte inferior del cono (torbellino exterior). Desde aquí comienza a ocupar el espacio interno del ciclón en donde se mueve hacia arriba y también en espiral (torbellino interior). La fuerza centrífuga hace que las partículas de polvo del gas se depositen sobre la pared del ciclón y tanto por la acción de la gravedad como por la del torbellino exterior, se desplazan hacia abajo. La mayor parte de las partículas caen en un colector de donde se extraen mediante una esclusa de sectores por un tornillo sin fin. El torbellino gaseoso que sube es el gas depurado que, sin embargo, todavía contiene cierta cantidad de finas partículas sólidas. El rendimiento de un ciclón es inversamente proporcional a su diámetro. Los ciclones con 225, 400, 600 y 3150 mm tienen rendimientos de 96.7, 92.6, 88.2 y 57.5%. En la industria del cemento los ciclones separadores se utilizan para desempolvar los gases de hornos rotatorios, enfriadores de clínker, trituradores, secaderos, molinos, dispositivos de transporte, etc. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 102 La pérdida de carga de los ciclones está entre los 30-165 mm de la columna de agua y depende de la temperatura del gas, del tamaño del ciclón y la velocidad de entrada del gas. Figura 9.32. Esquema de un ciclón. 9.15.3. Multiciclones La experiencia cotidiana ha mostrado que el diámetro del ciclón que trabaja con mejor rendimiento está situado en el intervalo de 150 y 300 mm. Sin embargo, el caudal de estos ciclones es muy pequeño. Para volúmenes superiores se reúnen muchos ciclones de pequeño diámetro formando un grupo, a los que generalmente se les llama multiciclones. Estos son estructuras cerradas, dispuestas en escalones para distribuir la vena gaseosa en paralelo, con una toma de gases común y una cámara de descarga de polvo. El rendimiento de los multiciclones está entre 85-94 %, con una caída de presión de 130-180 mm columna de agua. Un inconveniente de los multiciclones es el eventual taponamiento de sus pequeños tubos. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 103 Figura 9.33. Desempolvadores multiciclones 9.15.4. Filtros de tejido Los filtros de tejido son filtros de mangas, es decir, mangas con un diámetro aproximadamente de 300 mm y una longitud de hasta 10 m. Las mangas están fabricadas con tejido de fibras naturales o sintéticas. Pueden retener partículas inferiores a 1 μm y, por ello, obtener rendimientos del 99.95 %. Según el material del tejido, estos filtros pueden trabajar con gases a temperaturas incluso de 285 ºC. Los gases con polvo pasan a través del tejido (medio poroso) y depositan partículas en sus huecos. Cuando éstos se han llenado, comienza a formarse una capa de polvo que constituye la parte más importante de la acción filtrante. Si la capa es demasiado gruesa, la pérdida de carga comienza a subir, lo que exige su limpieza. Según las propiedades del polvo y del tipo de tejido, se suelen emplear cuatro métodos de limpieza: oscilación de las mangas, inyección de aire en sentido inverso al de la separación de polvo, presión pulsátil y limpieza con ondas sonoras. Filtros de tejido de vidrio Son los tejidos más utilizados. Para depurar los gases residuales del horno y del aire caliente de los enfriadores, se instalan desempolvadores de gran volumen, dotados con mangas de filtro fabricadas con fibras de vidrio tratadas con silicona. Estos desempolvadores de gran tamaño, contienen desde 500 a 2500 mangas de Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 104 tejido de vidrio de 10 m de longitud y 300 mm de diámetro. La carcasa de los filtros de vidrio está dividida en cámaras de igual tamaño provista cada una de una válvula de cierre para la vena de los gases, así como de acceso del aire de limpieza de las mangas. Para su limpieza se acostumbra a utilizar una combinación de aire y ondas sonoras. Los filtros de tejido de vidrio retienen, en la mayoría de los casos, del 99.90- 99.96 % del polvo introducido en el tramo granulométrico del 10 % para tamaño menor que 10 m y 90 % para diámetro menor de 5 m. 9.15.5. Filtros de lechos de gravillas Consiste en una combinación de separador ciclónico y de lecho de cantos. Estos filtros pueden trabajar en combinación con predepuradores de polvo. Los filtros de lechos intrincados de gravilla responden al sistema de varias cámaras y constan de 8 a 20 unidades con diámetros de 1300 a 2800 mm. El gas bruto es llevado al filtro a lo largo del canal colector común donde ya se produce cierta sedimentación de polvo, la correspondiente a las partículas más gruesas. Después, entra en un predepositador de tipo ciclónico en el que se deposita el polvo grueso, conducido todavía por el gas, y se vacía mediante el órgano de extracción. El gas predepurado sube al recinto de filtración y pasa de abajo a arriba a través del lecho de gravillas en donde abandona el polvo residual, que se deposita en los huecos existentes del lecho. Dos lechos de gravillas conectados en paralelo uno encima del otro pueden soportar grandes caudales. El rendimiento llega hasta el 99.9 %. Pueden acomodarse materiales más finos o más gruesos mediante variación de los tamaños de las grancillas del lecho. La pérdida de presión está situada, como media, en los 150 mm columna de agua. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 105 Figura 9.34. Filtro de lechos de gravillas 9.15.6. Filtros electrostáticos El principio de la sedimentación de polvo con filtros electrostáticos (también llamada limpieza eléctrica del polvo) se basa en aprovechar el efecto de ionización de los gases en un campo eléctrico intenso formando entre los electrodos emisores (descarga por efecto corona, negativos y los electrodos de precipitación positivos). Si la tensión eléctrica entre ambos electrodos es lo suficientemente alta (de 48000-80000 voltios), el electrodo emisor comienza a emitir electrones y, con ello, se logra que las moléculas del gas que rodean el electrodo queden cargadas en forma de iones positivos y negativos. Bajo la influencia de la intensidad del campo, los iones negativos se desplazan hacia los electrodos positivos conectados a tierra. Si el gas contiene polvo, entonces los iones negativos ceden su carga a las partículas de polvo, las cuales se desplazan hacia el electrodo positivo, se depositan allí y quedan neutralizadas. Por percusión se suelta el polvo acumulado sobre los electrodos y cae en la cámara colectora. Sin embargo una pequeña parte resulta cargada positivamente y se deposita sobre los electrodos emisores, y por ello se les ha de limpiar también por percusión. Dependientemente del estado del gas, de su temperatura y del tipo de polvo, ocurre que la fuerza de atracción del electrodo de sedimentación se debilita y el rendimiento del electrofiltro falla. En este aspecto, es decisiva la conductividad eléctrica del polvo que debe hallarse entre la de un conductor eléctrico (metal) y la de Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 112 El llenado de los cangilones se efectúa generalmente dragando o directamente, después de pasar éstos bajo las ruedas de la caja tensora inferior. Debido a la reducida velocidad de la cadena y a la especial disposición de los cangilones, la descarga se realiza hacia el interior del elevador, vaciándose éstos por gravedad al quedar invertidos a su paso por las ruedas motrices. Se recomienda este tipo de levadores para un funcionamiento continuo sometido a duras exigencias y para materiales pulverulentos, frágiles, pesados o abrasivos, de muy variada granulometría. 9.16.2.5. Cangilones montados sobre banda con doble columna Los cangilones están montados sobre banda de goma en una o varias hileras, pareados al tresbolillo y distanciados entre sí a intervalos regulares. El llenado de los cangilones se efectúa por proyección del material, originada por la fuerza centrífuga, como consecuencia de la elevada velocidad de la banda. El tambor motriz es de mayor diámetro que el tensor, manteniendo la estabilidad de la banda un rodillo de inflexión próximo a la caja tensora inferior. Su estructura está formada por dos conductos, uno para el ramal ascendente y otro para el descendente. Están especialmente indicados para importantes alturas de elevación y grandes capacidades, utilizándose para materiales de gran influencia y resistentes a la fracturación que pueden admitir elevadas velocidades. 9.16.3. Aerodeslizadores Se utilizan para transportar material en forma de polvo o muy fino permitiéndolo elevar fácilmente y a gran velocidad, además de poder adecuarse a los separadores neumáticos. La maquinaria transportadora se compone de un compresor destinado a la producción de aire comprimido, el transportador a presión, compuesto por las tuberías o conductos, y un filtro para separar el polvo del aire. Este transporte se efectúa Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 113 mediante recipientes que trabajan intermitentemente o por transportadores a presión continua, equipados con los correspondientes tornillos alimentadores. En los transportadores por aire comprimido que trabajan de manera continua, el material es agitado por medio de una hélice que lo remueve y lo sitúa ante un chorro de aire comprimido, que lo pone en suspensión y lo conduce a la tubería de transporte. La reacción, es decir, la resistencia ofrecida por la tubería, es contrarrestada por el aire comprimido inyectado, de manera que no hace falta establecer cierres o juntas mecánicas. En el sistema de transporte neumático el material a transportar se introduce en una corriente de aire mediante un dispositivo adecuado de alimentación. Las partículas de material son arrastradas a lo largo del tubo por la corriente de aire. Según su modo de actuar, habrá que distinguir entre los sistemas de impulsión y los de aspiración. El último se prefiere cuando el transporte se efectúa a partir de varios puntos de alimentación y un solo punto de descarga, o cuando el punto de distribución debe ser móvil. Desde luego, dichas instalaciones de aspiración se restringen a distancias de transporte relativamente cortas y para bajas densidades de carga del material transportado en el seno del aire, puesto que la presión máxima del transporte es de una atmósfera. Los sistemas de impulsión se emplean cuando haya que transportar sólidos pulverulentos a grandes distancias y con el aire a grandes densidades de carga, especialmente cuando el material se carga en un solo punto de alimentación y se envía a diversos puntos de descarga. También se usan instalaciones combinadas, en cuyo caso el material entrado por el sistema de aspiración se combina con las ventajas que presenta el sistema de impulsión. El material transportado se separa del aire, sea en un silo, sea en un ciclón separador; el aire se descarga en la atmósfera después de pasar por un filtro. 9.16.4. Otros tipos de transporte 9.16.4.1. Transportadores de rosca También llamados de tornillo o vises transportadores, se usan para el manejo de materiales granulados o pulverizados a granel en trayectorias horizontales o suavemente inclinadas. El material es empujado a lo largo de un conducto. Debido al Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 114 movimiento relativo simultáneo del elemento transportador, sea la hélice o las aletas, se produce rozamiento contra las paredes del conducto y con la hélice, por lo que el consumo de energía es bastante elevado. El sentido de avance del material va determinado por el sentido de rotación del eje y/o por el sentido de la hélice. Así pues, para un mismo eje en un sentido de rotación dado, es posible usar un mismo transportador en dos direcciones opuestas. En general, un transportador de rosca puede alimentarse en cualquier punto, descargando en aberturas provistas de compuertas. La capacidad de transporte de una rosca se determina en función del diámetro de la hélice, su paso, su velocidad de rotación, el grado de llenado y la naturaleza del material que se maneja. Este último parámetro es muy importante y constituye la base de una subdivisión en tres clases: - Ligeros, no abrasivos, sueltos y fluentes, tales como harina de crudo, granos y carbón pulverizado y seco. Con estos materiales es posible trabajar a grandes velocidades y con un llenado hasta 45 %. - Materiales de grano fino o de troceado menudo, que no fluyen libremente, tales como el carbón, la sal gruesa, etc. Para estos materiales se admite un llenado de 30 %. - Reciamente agresivos, materiales duros que pueden contener terrones resistentes, con malas propiedades de flujo, tales como las cenizas, arena, clínker y cemento. En este caso el grado de llenado es de 15 %. La ventaja de las roscas transportadoras reside en su compacta forma de construcción. Por ello son muy convenientes para el manejo de sustancias polvorientas, tóxicas, explosivas o malolientes, porque el conducto puede ser cerrado a los escapes de polvo o gases y resistente a presiones externas o internas. Permiten su uso como alimentadores, dosificadores, llenado de silos tolvas, mezclado, etc. Las desventajas son las grandes pérdidas energéticas por rozamiento y los pesados desgastes, con una elevada exigencia para el accionamiento. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 115 Figura 9.39. Transportadores de rosca 9.16.4.2. Transporte neumático En el caso de materiales en forma de arenillas o de polvo se emplea, sobre todo cuando las distancias son grandes, el transporte por aire. El transporte de sólidos, en medio portante gaseoso generalmente aire, ha adquirido una importancia considerable en la industria. Una ventaja especial consiste en que se puede conjugar la operación del transporte con la interacción del gas y el material transportado comprendida en varios procesos fisicoquímicos. Otra de sus propiedades estriba en la simplicidad de su construcción, buena adaptabilidad, total ausencia de partes móviles en todo el trayecto del transporte, ausencia de emisión de polvo, exigencias muy modestas en su mantenimiento, resistencia a la intemperie y, lo que no es menos importante, su adaptabilidad a la marcha automatizada. Un inconveniente del transporte neumático, en general, es su gran consumo de energía y, con ciertos materiales, el desgaste por rozamiento de los conductos transportadores con el material circulante. Hay diversos sistemas de transporte por aire, que emplean unos la aspiración o succión y otros la presión o impulsión. - Transporte por succión o aspiración En las instalaciones basadas en aspiración, se crea mediante una bomba, un enrarecimiento del aire, a través del cual el material es aspirado hacia el interior de un tubo que se sumerge en él. El material es separado de la corriente de aire mediante un Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 116 separador interpuesto en el punto deseado. El aire, a la salida del separador, necesita pasar por un limpiador o depurador antes de dejar que pase a la bomba aspiradora. - Transporte por aire comprimido El transporte por medio de aire a presión es el método más utilizado en las fábricas de cemento. La maquinaria transportadora se compone de un compresor destinado a la producción del aire comprimido, el transportador a presión compuesto por las tuberías o conductos y un filtro para separar el polvo del aire. Los recipientes alimentadores trabajan con una o dos cámaras de presión; éstas se llenan sucesivamente una tras otra con el material a transportar, y a intervalos periódicos, son cerradas automáticamente de manera que se intercepte la entrada del material, inyectándose a continuación aire comprimido que conduce el material por las tuberías de transporte hacia el punto de destino. El material transportado se separa del aire, sea en un silo, sea en un ciclón separador, y luego el aire se descarga en la atmósfera, después de pasar por un filtro. Figura 9.40. Bomba Fuller para el transporte neumático con aire comprimido. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 117 10. Ubicación de la fábrica En la ubicación de las fábricas cementeras se busca principalmente la cercanía a las canteras de las que extraer las materias primas necesarias para el proceso con el fin de abaratar los costes en el transporte, además de otros factores como buenas comunicaciones, demanda de la zona, desarrollo demográfico… Como se puede observar en la figura 10.1, son numerosas las industrias localizadas en las provincias costeras catalanas debido a las grandes canteras de caliza de las que dispone el terreno. Otras zonas con numerosas plantas de este tipo son las situadas en las provincias costeras del Cantábrico, al norte de la Península Ibérica. Murcia, la Comunidad Valenciana, Andalucía, Extremadura, Madrid y Castilla la Mancha, además de las islas, también tienen sus propias cementeras. Figura 10.1. Localización de las principales fábricas de cemento en España. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 118 La ubicación elegida para situar la planta de cemento que se está desarrollando es Villanueva del Río y Minas, situada en la provincia de Sevilla, a unos 50 kilómetros al norte de la capital y al borde del Guadalquivir en su margen derecha. Figura 10.2 .Mapa en el que se ubica la localidad elegida para implantar la fábrica diseñada con respecto a la capital de provincia En 1945, una vez finalizada la guerra civil española, la Confederación Hidrográfica del Guadalquivir considero necesario instalar una fábrica de cemento en Andalucía pues era imposible hacer frente a las necesidades de cemento con la industria nacional. Está fábrica se sitúo en Villanueva del Río y Minas con una capacidad inicial de 75000 T/año que pronto se ampliaron a 175000 T/año. En el año 1976, tras más de 20 años de funcionamiento, ante las dificultades económicas para la modernización de la fábrica y las presiones del sector privado cementero, ya muy desarrollado, fue necesario el cierre de las instalaciones. Por ello, se considera beneficioso para el nuevo proyecto ubicar la fábrica en una zona con historia cementera, que está muy próxima a una de las principales ciudades españolas y que tiene muy cerca las materias primas para su abastecimiento. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 119 La empresa se situará en el polígono industrial “El Carbonal”, en la orilla norte del Guadalquivir. Se encuentra a 10 minutos del centro de Villanueva del Río y Minas y a 45 minutos del centro de Sevilla. Este polígono está alejado de zonas residenciales, por lo que se evitan así problemas relacionados con el ruido a la población. Figura 10.3. Localización del polígono industrial. La parcela elegida abarca una superficie de 1.888 ha, lo cual, será suficiente para albergar toda la planta y para reservar una parte del terreno para una posible futura expansión de ésta. Figura 10.4. Localización de la parcela seleccionada Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 120 Para la entrada y salida de materiales cuenta con la carretera nacional A-436 que une Sevilla con Córdoba, el ferrocarril de Los Rosales a Mérida y su cercanía a Sevilla, de la que parten diferentes autovías a las principales ciudades tanto andaluzas como de otras partes de España y Portugal (A-4 Córdoba-Sevilla-Cádiz, A-49 Sevilla- Huelva, A-92 Sevilla-Granada…). Las materias primas se obtendrán de: - Caliza: Se extrae por explotación a cielo abierto de la Cantera de Sierra Traviesa, situada a 8.5 kilómetros al noroeste de la fábrica. - Arcilla: La cantera de arcilla se encuentra a 1300 metros al este de la fábrica. Andalucía es la comunidad autónoma con un mayor consumo de cemento por habitante y aunque son numerosas las empresas cuyas fábricas se encuentran en esta comunidad, se sigue importando grandes cantidades de cemento de otros puntos de la geografía española. Con este proyecto se pretende cubrir parte de las necesidades cementeras tanto para edificaciones como para obra civil del sur peninsular. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 121 11. Descripción del proceso El cemento que se desea producir es uno normal, del tipo I. Las materias primas, arcilla y caliza, provienen de las canteras respectivas. El primer proceso al que son sometidas es a la trituración 11.1. Trituración de las materias primas La caliza, después de su arranque, es transportada a la operación siguiente de machaqueo con el objetivo de producir una granulometría conveniente para su manejo en la prehomogeneización. Esta operación de machaqueo se divide en dos etapas: primaria y secundaria. En el caso de la arcilla, sólo será necesario el uso de una máquina trituradora debido a que su dureza es menor. 11.1.1. Trituración primaria de la caliza Se trabaja con un caudal de caliza de 73.96 T/h, conteniendo ésta un 1 % de humedad. La piedra se conduce hasta la máquina trituradora preliminar situada en la cantera mediante palas cargadoras. La máquina trituradora es una machacadora de mandíbulas, con forros dentados de tal manera que de cada tres o cuatro dientes, hay uno con altura sobredimensionada, ideal para triturar materias que llegan de la cantera en trozos grandes o de tamaño medio y muy poco húmedas (véase el apartado 9.1.1.). Los tamaños del material de entrada oscilan alrededor de 60 cm y son reducidos a diámetros comprendidos entre los 10 y 20 cm. La producción de la trituradora es de 177 T/h y su potencia es de 192.83 CV. Las placas para la trituración forman un ángulo de 20º y llevan un ritmo de 161.88 vueltas por minuto en el eje de transmisión. 11.1.2. Trituradora secundaria de caliza Una vez finalizada esta etapa, se lleva la caliza a través de una cinta transportadora a una nueva trituración secundaria, donde se consigue una nueva reducción de tamaño, hasta aproximadamente 1 cm de diámetro. Para ello se emplea una trituradora giratoria tipo Symons (véase el apartado 9.1.2.). El desmenuzamiento se realiza entre un anillo de trituración estacionario cónico y otro cono triturador que Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 128 Estas cargas son sacadas mediante carretillas elevadoras y cargadas en vehículos para su expedición. 11.12. Tratamiento de los gases de escape Los gases que salen del intercambiador de ciclones, deben ser tratados con el fin de evitar la expulsión del polvo al exterior de la fábrica. En primer lugar, se debe reducir la temperatura de estos desde 330 a 150 ºC. Para ello se utiliza una columna de acondicionamiento que trabaja con agua. El volumen de gases a tratar en condiciones normales es de 79145.64 m3N/h, conteniendo un caudal de polvo de 2.61 T/h. La altura que requerirá dicha columna será de 28 m y su diámetro de 5 m. El motor del que dispone es capaz de proporcionar hasta 29.7 kW. A continuación de hacer pasar estos gases a un electrofiltro donde se retendrán las partículas sólidas (véase el apartado 9.15.6.). Está compuesto por dos electrodos distanciados entre sí en 0.12 m y cuya superficie es de 1045.37 m2. El electrofiltro está conectado a un sistema de corriente continua que le proporciona una diferencia de potencial de 60000 V. El gradiente de potencial entre las placas colectoras es de 500000 V/m y la potencia que consume es de 3.14 kW. Tras el paso por el filtro, se produce un escape de polvo al exterior de 3.29·10-4 kg/m3N, que está dentro de los límites legales que permiten liberar hasta 3.5·10-4 kg/m3N. El polvo captado es llevado a un horno fuera de la planta para su calcinación a través de camiones. 11.13. Transportes internos de la fábrica Los transportes internos que se instalarán dentro de la planta de producción de cemento que se está diseñando son: Cintas transportadoras. Se deciden instalar a través de la empresa Perfiltek, especializada en la creación de todo tipo de sistemas de transporte industrial. El ancho de banda variará de 2 a 3 m y el material del que estarán construidas será acero inoxidable. Se instalarán diferentes tramos de cintas transportadoras: - De la recepción de caliza a la trituración primaria de la misma. - De la trituración primaria de caliza a la trituración secundaria de la misma. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 129 - De la trituradora secundaria de caliza al parque de prehomogeneización. - De la recepción de arcilla a la trituración de la misma. - De la trituradora de arcilla al parque de prehomogeneización. - Del parque de prehomogeneización de caliza al molino de crudo. - Del parque de prehomogeneización de arcilla al molino de crudo. - De la recepción de yeso al molino de cemento. Transportes articulados. Se instalarán, al igual que las cintas transportadoras, a través de la empresa Perfiltek. Están fabricadas de acero inoxidable y los tramos en los que se pondrán son: - Del molino de crudo hasta la base del silo de homogeneización (almacén de crudo). - Del enfriador de clínker al almacén de clínker. - De la base del almacén de clínker al molino de cemento. - De la salida del molino de cemento a la base del silo de cemento. - Del silo de homogeneización de crudo a la parte inferior del intercambiador. - Del silo de cemento a la base de la instalación de ensacado. Elevadores de canjilones. Serán instalados por la empresa Sthim. La altura de cada uno de ellos será de 10 metros. Su ubicación dentro de la planta será: - Dos en el parque de prehomogeneización de caliza. - Dos en el parque de prehomogeneización de arcilla. - Dos en los tanques de almacenamiento de clínker. Aerodeslizadores. Serán suministrados por la empresa Fluidor. Los puntos en los que realizarán el transporte de material son: - De la base de los silos de crudo a la parte superior. - De la base de los silos de clínker a la parte superior. - De la base del silo de cemento a la parte superior. - En el molino de cemento para llevar el cemento al separador. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 130 - En el molino de crudo para llevar el crudo al separador. - Llevando el crudo de la parte inferior del intercambiador hasta la parte superior. 11.14. Diagrama de bloques del proceso A continuación se muestra, de manera esquemática, el proceso total de producción de cemento a través de un diagrama de bloques. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 131 Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 132 Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 133 12. Cálculos 12.1. Balances de materia y de energía Se desea obtener un caudal de cemento de 500000 toneladas al año, lo que equivale a: 12.1.1 Balance de materia en la molienda de cemento Datos estadísticos demuestran que el 66 % del material que llega al separador tras la molienda del cemento son finos y el 34 % restante son gruesos. Dentro de los finos, el 61 % pasan como producto, el 36 % queda retenido en las tuberías del ciclón y el 3 % restante se escapa con el aire y se dirige al electrofiltro para su posterior separación. Por lo tanto, el porcentaje del total del cemento que entra en el molino y que se pierde es de: El producto de salida (57.08 T/h) corresponde al 98.02 % del cemento que entra, por lo que la cantidad de cemento perdida será de Y la cantidad total de cemento que debe haber en la entrada: Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 134 En el separador se producirán los siguientes caudales de finos y gruesos. Los gruesos son recirculados de nuevo al molino para reducir su tamaño. Dentro del caudal de finos, como ya se ha mencionado, el 3 % se pierde junto al aire (1.15 T/h) y el resto o pasa directamente al producto o se recupera del ciclón Se sabe que el cemento está compuesto por un 4 % de yeso y por un 96 % de clínker. Por lo tanto, la cantidad de cada uno de ellos será: Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 135 12.1.2. Balance de energía al enfriador planetario En él, se disminuye la temperatura del clínker desde 1500 ºC hasta 60 ºC. Para ello se utiliza aire procedente del exterior a una temperatura de 15 ºC que se calienta hasta 600 ºC. Calor cedido por el clínker Aire necesario El calor que debe sustraer el aire debe ser el suficiente para el enfriar el clínker, considerando además un exceso del 10 % por pérdidas que se puedan producir. Al haber 8 tubos en paralelo, el aire distribuido por cada uno de ellos será: 12.1.3. Balance de materia al horno rotatorio Para hallar la cantidad de material que circula por cada corriente del proceso así como sus diferentes composiciones, se toma una base de cálculo de 100 toneladas de crudo libre de humedad. Las composiciones de la caliza y la arcilla empleadas se recogen en la tabla 12.1. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 136 Tabla 12.1. Porcentaje de cada componente en la caliza y en la arcilla Para calcular estas composiciones, se coge una determinada cantidad tanto de caliza como de arcilla y se somete a un proceso de calcinación, midiendo posteriormente la cantidad de cada componente tras haber soportado las altas temperaturas. La pérdida por calcinación corresponde al porcentaje que señala la diferencia de peso que sufre la piedra antes y después del proceso. Por otra parte, se establece que el crudo seco debe contener un 77 % de CaCO3 en peso para lograr obtener así un cemento con la calidad deseada. - Cálculo de la cantidad de CaCO3 en el crudo seco - Cálculo de la caliza y de la arcilla que se debe añadir Se dispone de caliza y arcilla con un contenido en CaO de 52.9 y 4.3 % respectivamente. Para hallar el contenido de CaCO3 (se supone que todo el CaO se encuentra como CaCO3): Caliza: Arcilla: % SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Pérdida por calcinación Caliza 3.8 0.9 0.6 52.9 0.3 41.5 Arcilla 53.4 20.2 7.5 4.3 2.1 12.5 Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 137 El crudo contiene 77 kg de CaCO3. Éste se descompone para dar CO2 y CaO por medio de la siguiente reacción: Por lo tanto, 77 kg de CaCO3 darán lugar a: Y conociendo las cantidades a añadir de caliza y de arcilla, pueden calcularse las concentraciones de los demás componentes en el clínker: Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 144 Tabla 12.7. Composición gravimétrica del gas natural Componente Volumen % Gramos (1*Mmolar/22.4) N2 0.55 6 CO2 0.88 17 CH4 94.39 674 C2H6 2.89 39 C3H8 0.79 15 C4H10 0,34 9 C5H12 0.21 7 Gas natural 100 767 g = 0.767 kg Para conocer la masa de cada componente se ha realizado el siguiente cálculo sencillo: Siendo k=22.4 l/mol y PM = Peso Molecular Ahora de calculan los balances individuales de materia, uno para cada reacción considerando que el aire tiene un 21 % de O2 y un 79 % de N2. Los volúmenes de gas natural y de gases de combustión en condiciones normales son los siguientes: 674 g CH4 + 2697 g O2 + 8877 g N2  1854 g CO2 +1517 g H2O + 8877 g N2 38.7 g C2H6 + 144.6 g O2 + 475.6 g N2  113.5 g CO2 + 69.7 g H2O + 476 g N2 15.4 g C3H8 + 56.3 g O2 + 185.6 g N2  46.2 g CO2 + 25.2 g H2O + 185.6 g N2 8.7 g C4H10 + 31.6 g O2 + 103.9 g N2  26.4 g CO2 + 13.5 g H2O + 103.9 g N2 6.8 g C5H12 + 24 g O2 + 79 g N2  20.6 g CO2 + 10.1 g H2O + 79 g N2 6.9 g N2  + 6 g N2 17.3 g CO2  17 g CO2 767.7 g gas +2953.5 g O2 +9721.1 g N2  2077.7 g CO2 +1636.5 g H2O + 9728 g N2 1 m3 gas +12674.6 g aire  13442.3 g de gases de combustión Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 145 Cantidad de gases de escape La cantidad mínima de aire para la combustión de 1 kg de gas natural es: Se introduce un 15 % de aire en exceso, quedando la relación de la siguiente manera: La cantidad de aire introducida en exceso es de 1901.19 kg (399.25 kg de O2 y 1501.94 kg de N2) El peso de 1 m3 de aire es de 1.293 kg a presión atmosférica y a la temperatura de entrada, por lo que si el peso de aire necesario para la combustión se expresa como volumen: 1 kg de gas natural proporciona gases de escape según la siguiente relación Para hallar el volumen que ocupan los gases que salen del horno se vuelve a aplicar de nuevo la fórmula Y se obtienen los datos recogidos en la tabla 12.8. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 146 Tabla 12.8. Composición de los gases de escape Componente Peso (kg) Volumen (m3) CO2 2077.7 1060.05 H2O 1636.5 2035,28 N2 11230 8984 O2 399.25 570.53 TOTAL 15343.49 12613.86 El poder calorífico del gas natural, o lo que es lo mismo, la energía que produce la combustión de 1 kg de natural es de 6055.47 kcal/ m3 de gas natural Y el calor necesario para producir un kg de clínker (calor de formación del clínker) es de 431.61 kcal/kg de clínker (q1) Para calcular los kg de gas natural necesarios para producir un kg de clínker, teniendo en cuenta el poder calorífico del gas natural y el calor de formación del clínker: Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 147 12.1.5. Balance de energía al horno Calor desprendido por el clínker El clínker se forma a una temperatura entre 1600 y 1700 ºC. Una vez formado y ya en la última fase de su estancia en el horno, el clínker baja su temperatura hasta aproximadamente 1500 ºC, por lo que existe un desprendimiento de calor, dado por la expresión: Calor captado por el crudo El crudo entra al horno después de haber sido precalentado en el intercambiador de ciclones a la temperatura de 800 ºC. Para que comience a formarse el clínker, el crudo llega a alcanzar la temperatura de 1650 ºC. El calor tomado tiene por tanto la siguiente expresión: Calor captado por el clínker al formarse La entalpía de formación del clínker es de 431.61 kcal/kg. Con este dato ya es posible calcular el calor captado: Calor captado por el aire procedente del enfriador El aire sale del enfriador planetario a una temperatura de 600 ºC y se introduce en el horno para aprovechar su calor. La temperatura a la que sale es de 1000 ºC Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 148 Calor desprendido por el gas natural Calor desprendido = Calor captado Se despeja y su obtiene que mgas=7362.834 kg/h. La cantidad de aire que entra del exterior es de: La cantidad de gases de escape a 1000 ºC que se producen es de: 12.1.6. Balance de materia y energía al intercambiador de ciclones La distribución de temperaturas del crudo y de los gases en cada tramo del intercambiador se distribuyen, según el Manual Tecnológico del Cemento [1], como se muestra en la figura 12.9. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 149 Tabla 12.9. Temperaturas del crudo y de los gases en las distintas partes del intercambiador GASES CRUDO TRAMO Entrada Salida Entrada Salida I 530 330 50 310 II 670 530 310 510 III 820 670 510 650 IV 1000 820 650 800 Figura 12.1. Evolución de la temperatura de los gases y del crudo a lo largo del intercambiador El gas y el crudo entran a contracorriente, consiguiéndose un intercambio calorífico muy intenso. El crudo se dosifica en los tramos de tubería donde el gas caliente, que sube a gran velocidad (20 m/s), arrastra a la harina cruda del ciclón inmediatamente superior. Allí la harina de crudo se separa de la corriente de gas y pasa al tramo siguiente. La cantidad de polvo que arrastra al gas a 1000 ºC se puede considerar despreciable frente a la que arrastra a su salida. Se escapan junto a los gases en torno al 3 % del crudo que entra. Por lo tanto, habrá que considerar esta pérdida a la hora de calcular la cantidad de crudo que se debe introducir en el intercambiador. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 150 Se producen unas pérdidas de 2600 kg/h. Calor captado por el crudo El crudo entra a 50 ºC y sale a 800 ºC Calor captado por el polvo Con los gases que salen del intercambiador, también sale una cantidad de polvo de crudo arrastrada por los mismos, la cual toma calor. Esta cantidad es aproximadamente del 3 % del crudo de entrada. La suma del calor captado por el polvo y por el crudo es de 15786003 kcal/h. Se considera que se producen unas pérdidas en el intercambiador del 10 %, por lo que el calor que debe aportar el gas es de 17364603.3 kcal/h. Calor cedido por el gas El calor específico de la mezcla de gases es de 0.2220+0.00007094t. Estos gases entran a una temperatura de 1000 ºC y salen a 330 ºC. La cantidad de gases que se deben introducir para aportar la cantidad calorífica calculada se conocerá de la siguiente manera: Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 151 12.1.7. Balance de materia y energía en la molienda-secado del crudo El 76 % del material que llega al separador tras la molienda del cemento son finos y el 24 % restante son gruesos que se recirculan para que adquieran el tamaño deseado. Dentro de los finos, el 61 % pasan como producto y el 39 % restante pasan al ciclón. De la cantidad que entra al ciclón, el 92 % queda depositado en éste, mientras que el 8 % se va a la torre de acondicionamiento junto con los gases. Por lo tanto, el porcentaje del total de crudo que entra en el molino y que se pierde es de: El caudal de salida (89.49 T/h) corresponde al 97.63 % del crudo que entra, por lo que la cantidad de crudo perdida será de Y la cantidad total de crudo que debe haber en la entrada: En el separador se producirán los siguientes caudales de finos y gruesos. Los gruesos son recirculados de nuevo al molino para reducir su tamaño. Dentro del caudal de finos, el 61 % pasa directamente como producto y el resto pasa al ciclón. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 152 Dentro del ciclón, se pierden 2.17 T/h de polvo con los gases, por lo que el resto (25.00 T/h) se recupera del ciclón y se mezcla con el producto. Los gruesos que se habían recirculado entran de nuevo al molino y se reduce su tamaño, juntándose con el resto de los finos. Se puede considerar despreciable la cantidad de polvo que se desprende en estos procesos posteriores. Así pues, debe de haber a la entrada del molino 91.666 T/h de crudo. Se conoce que el crudo está formado por un 20.12 % de arcilla seca y por un 79.88 % de caliza, es decir: La arcilla extraída de la cantera contiene un 6 % de humedad, y la caliza tan solo un 1 %. Para calcular la cantidad de cada una de ellas que se deberá de introducir en la planta de fabricación: La cantidad total de humedad que presenta la mezcla de ambas piedras es de 1.91 T/h de agua Para calcular la cantidad de gases que se deben introducir para eliminar la humedad del crudo, se debe realizar un balance de energías al proceso. Instalación para la producción de cemento Portland Álvaro Jorge Arnal Mañas 153 Calor tomado por el crudo (libre de H2O) El crudo entra a 15 ºC y sale a una temperatura de 50 ºC Calor captado por el H2O a. Calor captado para elevar la temperatura de 15 a 90 ºC El calor específico del agua en este intervalo es prácticamente constante, Cp=1 kcal/kg·ºC. El calor tomado es b. Calor captado para evaporarse El calor latente de vaporización del agua a 90 ºC tiene el valor de λl=545.3 kcal/kg a 1 atmosfera de presión. Calor total: Calor captado por el polvo de crudo Con los gases de salida sale también una cierta cantidad de polvo, el cual toma la siguiente cantidad de calor: