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Módulo 3: Entender la Producción del Cemento
Proceso Productivo del Cemento
20 Febrero 2014
Módulo 3: Entender la Producción del Cemento
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Objetivos de Aprendizaje
Adquirir conocimientos básicos sobre la producción del cemento (puntos de vista químico, tecnológico).
Adquirir conocimientos que permitan entender y discutir
el comportamiento ambiental de un sistema moderno
de horno cementero.
Módulo 3: Entender la Producción del Cemento
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Lista de Contenidos
Producción del cemento: química.
Tecnología del proceso del cemento.
Características y aspectos ambientales de la
producción de cemento.
Anexos para información adicional.
Módulo 3: Entender la Producción del Cemento
Un proceso en línea
4
Módulo 3: Entender la Producción del Cemento
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El cemento se produce a partir de
“materias primas”
Distinguimos cuatro categorías de “materias primas”, y en cada categoría materiales naturales y alternativos.
Materias primas (principales): aportan los “elementos” principales a la producción de cemento/clinker (CaO = C, SiO2 = S, Al2O3 = A, Fe2O3 = F).
Materiales correctivos: aportan los elementos principales que faltan en las materias primas disponibles (localmente).
Materias primas y materiales correctivos dan origen a una mezcla cruda, que es secada y molida hasta obtener el crudo, el cual se calcina hasta obtener clinker (minerales): C3S, C2S, C3A, C4AF
Componentes minerales.
Controladores de cura.
El clinker y controladores de cura (y otros componentes minerales) son molidos hasta obtener el cemento.
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Ejemplos de materias primas I Categoría del Material Origen Ejemplos
Materias primas
(principales)
Natural Caliza, cal margosa, marga
calcárea, arcilla, cenizas de
carbón
Alternativo Cal/lodo industrial, cenizas
volantes, etc.
Materiales correctivos Natural Cal de alto grado, arena de
cuarzo, bauxita, mineral de
hierro
Alternativo Arena de fundición, ceniza
de pirita, etc
Controladores de cura Natural Yeso
Alternativo Yeso de desulfurización
Componentes minerales Natural Puzolana
Alternativo Escoria de arenado de
hornos, cenizas volantes, etc.
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Ejemplos de materias primas II Pro
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Las materias primas también incluyen naturalmente
elementos menores y elementos traza
Metales pesados: rangos de composiciones en clinker (Ref Holcim - año 2004)
Elementos principales (óxidos) Elementos menores (óxidos) Elementos traza
CaO 620-650-700 MgO 6-18-50 Hg 0-0-0
SiO2 190-210-240 SO3 1-8-21 Tl <0,5-<0,5-<0,5
Al2O3 32-51-64 K2O 0-7-14 Cd <0,1-0,43-2,1
Fe2O3 2-35-77 Na2O 0-2-10 As 1,3-14-265
TiO2 0-3-10 Co 4,0-13-65
Mn2O3 0-1-12 Ni 4,0-42-360
Cr2O3 Sb <0,1-??-60
P2O5 0-2-6 Pb <1,0-20-127
Cl- 0-0.1-0.3 Cr 18-58-263
F- 0-3 Cu 3,2-61-299
V 20-95-353
TOTAL [g/kg] 950 g TOTAL [g/kg] 50g TOTAL[mg/kg] 300 mg
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Para convertir las materias primas en
clinker, éstas necesitan pasar por varios
tratamientos Almacenamiento / pre-mezcla.
Análisis químicos.
Dosificación para cumplir los objetivos calculados.
Mezcla, secado, molienda (en el molino de mezcla cruda).
Tratamiento térmico (en el pre-calentador / pre-calcinador) para separar el CaCO3 en CaO y CO2; extracción de CO2 hacia la atmósfera.
Tratamiento térmico (en el horno rotativo) para formar los minerales del clinker.
Rápido enfriamiento por aire para estabilizar los minerales del clinker.
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Procesos térmicos en el sistema de horno
La descarbonización (o descarbonatación),
formación de minerales
del clinker y primer
enfriamiento del clinker
se realizan en las zonas de alta temperatura del
sistema de horno, con:
Temperaturas entre 800 ºC
y 1450 °C
Temperaturas para aire y
gas de combustión entre
800 ºC y 2000 °C
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Fabricación de cemento hoy: el
diagrama de flujo del proceso
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Producción de clinker hoy: el diagrama
de flujo del horno
Horno rotativo Enfriador
de clinker
Filtración de polvo del aire de escape
Pre-calcinador
Pre-calentador de suspensión
Molino de crudo Torre de
enfriamiento
Filtración de polvo del gas de escape
Ducto de aire terciario
300 °C 200 °C
100 °C
100-200 °C
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Operando un horno cementero: flujos continuos de
materiales combustibles de calidad uniforme
Ejemplo del carbón mineral como caso genérico para todos los combustibles (naturales y alternativos):
1 2 3
Flecha = procesos de transporte
1 = Almacenamiento de carbón crudo
2 = Silo de carbón fino
3 = Sistema de horno
Propiedades deseadas en combustibles de hornos cementeros:
Disponibilidad continua en grandes cantidades.
Calidad uniformidad.
Bajo contenido en agua y cenizas / fineza apropiada para alimentación según punto de inyección.
Fluidez para combustión con bajo exceso de aire.
No inducir daños al medio ambiente.
Preparación de combustibles secado molienda
Obtención de combustible
Suministro en puntos de alimentación
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Punto de alimentación de combustible en los
sistemas de hornos cementeros
Pre-calcinador
o quemador secundario (hornos con precalentador suspendido)
Quemador
principal
Entrada del
horno
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Producción de cemento y concreto:
principales etapas y cifras [t/t cli]
1
Proceso
de
quema 2
Molienda
del
cemento 3
Planta de
concreto
“Ready
mix”
4
Preparación de
materias primas
naturales y
alternativas
5
Preparación
de combustibles
naturales y
alternativos
6 7
Preparación
de comp.
minerales
naturales y
alternativos
Preparación
de aditivos
naturales y
alternativos
1,65
0,15
1,5
0,1
8
0,5+0,1
1,0
0,33
1,33
8,0 0,66
10,0
(4 m3)
1 = Silo de homogenización y almacen. de crudo 5 = Recintos de pre-combinación y almacenamiento de materiales
2 = Silo de clinker 6 = Silos de combustible preparado
3 = Silo de cemento 7 = Silos o recintos de almacenamiento
4 = Producción de concreto 8 = Acopios o silos de almacenamiento
Materias primas Dosificación Secado Molienda
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Características Especiales
Nº 1: temperaturas de sistema, desde altas hasta muy altas.
Nº 2: tecnología de lecho fluidizado, multi-etapa, para limpieza de gas, inherente al proceso. Ambiente alcalino.
Nº 3: gran capacidad de retención para SO2 y Cl.
Nº 4: emisiones atmosféricas determinadas por la calcinación de componentes volátiles de las materias primas.
Nº 5: toda la entrada de minerales convertida en producto. No se generan residuos sólidos.
Nº 6: todos los elementos traza (metales pesados) fusionados e integrados con seguridad en el producto final.
Nº 7: alta eficiencia térmica del proceso.
Nº 8: reducción de las emisiones globales de CO2 a través de la utilización de combustibles alternativos.
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Nº 1: temperaturas de sistema, desde
altas hasta muy altas Resultan en la completa combustión hasta trazas de CO en el
horno rotativo: todos los componentes orgánicos son
destruidos de forma confiable (oxidados).
Nota: ni siquiera el compuesto orgánico más estable puede soportar temperaturas apenas superiores a los 800 ºC.
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Nº 2: tecnología de lecho fluidizado,
multi-etapa, para limpieza de gas,
inherente al proceso. Amb alcalino
Seis “estaciones” de absorción
en serie, operando a diferentes
temperaturas (850, 750, 650, 500,
320 y 100 [°C]).
Última etapa (molienda de crudo) es
particularmente efectiva, debido a:
Superficie activa recién generada
Temperatura más baja
Filtro de manga de alta eficiencia (<10 mg/Nm3 de polvo de gas limpio)
Ca
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Nº 3: gran capacidad de retención para
S y Cl
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Nº 4: emisiones atmosféricas ampliamente causadas por la
calcinación de los componentes volátiles de las materias primas Componente de la emisión
con importancia en la
industria del cemento
Rango de emisiones
encontrado [mg/Nm3]
Valor límite Europeo
de emisión según WID
[mg/Nm3]
Origen de las emisiones
SO2 0 - 300 – 3000 50 plus S pirítico en mat. primas
NOx 300 – 2000 500/800 Llama principal en horno
rot. + NO de combustible
COVs 0 - 50 – 500 10 (adicionales) Orgánicos en mat. primas
HCl 1 - 15 10 Materias primas y combust.
NH3 1 - 15 - 40 Ninguno Materias primas y posible
SNCR
Benceno (C6H6) 1 - 2 - …. 5 Orgánicos en mat. primas
PCDD/DF 0 - 0,02 ng ITE 0,1 Orgánicos en mat. primas
Hg 0 - 1 0,05 Materias primas y combust.
Tl y Cd trazas 0,05 Materias primas y combust.
Otros 9 met. pesados Σ< 0,5 0,5 Materias primas y combust.
Polvo de gas limpio 1 - 20 - 50 - 150 30 Materias primas
Ca
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Fuente : CSI
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Nº 5: toda la entrada (alimentación) de
minerales convertida en producto Todos los elementos principales y menores (particularmente también los
incorporados con los materiales alternativos) se utilizan para formar
minerales del clinker o se incorporan en los minerales del clinker.
Simbología
1. Clinker
2. Cal
3. Marga
4. Arena de fundición
5. Cenizas de pirita
6. Cenizas de carbón
7. Cenizas de lignita
8. Cenizas de lodo (aguas servidas)
9. Cenizas de neumáticos
Excepciones en caso de generación de polvo de bypass:
Incorporación en productos de hidratación (concreto)
Depósito en rellenos
100
80
40
20
Al2O3+Fe2O3 (%) 20 80 100 0
0
0
20
80
100
40
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Ca
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Nº 6: todos los elementos traza (metales pesados)
fusionados con seguridad en el producto final (I)
Todos los metales pesados quedan:
Incorporados en los minerales del clinker (excepto Hg y Tl)
Fusionados en los productos de la hidratación (también Tl y gran parte de Hg)
Encapsulados en las estructuras de concreto
Pruebas de lixiviación Resultados de las pruebas
Concretos monolíticos,
todos los métodos de prueba de lixiviación.
Todos los metales pesados bajo o cerca del límite de
detección, incluso con el método de lixiviación más sensibles.
Concreto chancado, el método de prueba más agresivo.
Las concentraciones lixiviadas de cromo, aluminio y bario pueden acercarse a las normas de agua potable, por lo que se recomienda limitar alim.
El concreto es un sistema multi-barrera que evita la
migración (lixiviación) de los metales pesados hacia el
ambiente de los seres vivos.
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Nº 6: todos los elementos traza (metales pesados)
fusionados con seguridad en el producto final (II)
Para evitar el abuso (del concreto como depósito final
de metales pesados), es recomendable no exceder,
por ejemplo, las siguientes concentraciones de metales
pesados en los combustibles alternativos:
Tl Cd Be Cr As Sb Sn Co Pb Ni Cu V Hg
50 50 50 250 400 500 500 500 800 1000 1000 1000 5
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Nº 7: alta eficiencia térmica del proceso
Consumo de calor específico del proceso: 3000 - 3300 kJ/kg cli.
Demanda teórica de calor de la formación de clinker: 1750 kJ/kg cli.
De este modo, eficiencia térmica: 53 - 58 %.
Eficiencia térmica a máxima utilización de energía de residuos (gas de escape de horno y aire de escape de enfriador): 80 -90 %.
Ejemplo de un balance energético de un sistema de horno
(solamente órdenes de magnitud):
Formación de clinker 1750
Contenido energético del gas de escape 700
Contenido energético del aire de escape 400
Pérdidas por radiación y convección 250
Contenido energético del clinker 100
Total: 3200 kJ/kg de clinker
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Módulo 3: Entender la Producción del Cemento
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Nº 8: reducción de las emisiones globales de CO2
a través de la utilización de combustibles
alternativos (Alternative Fuels / AF)
1 2 3 4
Sin uso de AF en CIi Uso de AF en CIi
AF a
relleno
AF a
incinerador
Industria del
cemento o
AF a la industria
del cemento
1. Gas de rellenos (CO2 y CH4)
2. CO2 de la incineración
3. CO2 de combustibles fósiles en el CIi
4. CO2 de ambos sistemas si se usan AF en el CIi
Otras opciones p/ reducción de CO2:
Reducción de factor cli/cem
Mejoras del proceso (incluyendo utilización energética de residuos)
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Técnicas de abatimiento de emisiones
MOD = Modo de Operación Directa del sistema de horno / molino de crudo
Emisiones Métodos de abatimiento disponibles
Polvo de chimenea
Filtros de manga o precipitadores electrostáticos bien mantenidos
SO2 Inyección de cal hidratada al tubo superior de elevación (máx.1200 500)
Absorbedor de azufre húmedo (scrubber) (para grandes emisiones, hasta 3000 < 200)
NOx SNCR (reducción catalítica no selectiva) con inyección de NH3
COVs Nada realmente satisfactorio (filtros de carbón activado, convertidores catalíticos,
oxidantes térmicos)
HCl Indirectamente, a través de bypass tipo “polvo de MOD a molino de cemento”
NH3 indirectamente, vía bypass de polvo de MOD a molino de cemento
C6H6 Nada razonable hasta el momento
PCDD/DF Sin problemas de emisiones. En el caso raro de emisiones elevadas: indirectamente, vía bypass de polvo de MOD a molino de cemento y reducción de precursores
Hg/Tl Control y limitación de la entrada, indirectamente, vía bypass de polvo de MOD a molino
de cemento
Otros metales pesados
Sin problemas de emisiones
Ca
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Anexos
Procesos históricos de fabricación de
cemento.
Módulo 3: Entender la Producción del Cemento
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Procesos históricos de fabricación de
cemento (aún en uso): proceso húmedo
An
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Módulo 3: Entender la Producción del Cemento
29
Procesos históricos de fabricación de
cemento (aún en uso): proceso semi-seco
An
exo
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