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TECNOLOGÍA DE PRODUCCIÓN DE CLINKER EN HORNOS VERTICALES

Ing. Hugo Villanueva Cementos Selva S.A. TECNOLOGIA DE PRODUCCION DE CLlNKER EN HORNOS VERTICALES VSK 1. INTRODUCC ION

E

n la actualidad el uso de los VSK (Vertical Shaft Kiln) en la producción de clinker se presenta fundamentalmente en dos países que tienen características similares en cuanto a alta densidad poblacional y amplia extensión territorial: la India y la RPD China, las variantes en el tipo de tecnología aplicada en dichos países son menores. La aplicación más extendida se da en una economía cerrada de gestión estatal presentando una mayor difusión en la RPD China donde aportan el 78,17% de la producción anual de clinker, en la India la aplicación es mucho más localizada. De acuerdo a las características tecnológicas de los VSK su operación en el marco de las economías abiertas de factible en occidente sería mercados regionales de pequeña o mediana

envergadura, que además deben presentar limitaciones o dificultades en sus vías de transporte y estar ubicados fuera del ámbito de influencia de un operador cementero convencional. Tecnológicamente las principales ventajas del horno rotatorio convencional son la amplia escala de producción, la posibilidad de uso de una variada gama de combustibles y sus óptimos rendimientos térmicos. En contraparte los hornos verticales tienen restringida su aplicación al uso de combustibles de bajo contenido de materia volátil, además el limite máximo de aplicación establecido en la practica es de 700 TPD. Como ventajas principales de los VSK se pueden mencionar: El bajo capital de inversión inicial que reduce la barrera de entrada al negocio cementero el cual es normalmente elevado, la versatilidad tecnológica que integra las etapas de calcinación y enfriamiento en un solo equipo, el uso de carbones de baja capacidad calorífica, la obtención de clinker de calidad homogénea, su versatilidad para integrarse con múltiples unidades de proceso y en una perspectiva global permite

generar polos de desarrollo industrial en lugares de escaso despegue económico. En este marco nuestra operación en la región amazónica ha constituido una importante experiencia de desarrollo industrial, hecho que tiene como corolario el inicio de las operaciones del segundo VSK en el presente mes.

Horno Vertical Nº 2

Lateral Horno Vertical Nº 2 2. PROCESO PRODUCTIVO El proceso productivo previo a la etapa de calcinación presenta un desarrollo similar al de una planta cementera convencional, es decir se inicia con la preparación y acondicionamiento de las materias primas, en el caso de CSSA (Cementos Selva S.A.), se efectúa el chancado primario y secundario de la caliza, la arcilla, el mineral de hierro el carbón y antracítico. Debido a las condiciones ambientales de la zona la arcilla y eventualmente la caliza pasan por una etapa adicional de secado, con el objeto de reducir su contenido de humedad a niveles adecuados para su aplicación a la molienda. La siguiente etapa es la molienda del crudo que presenta la primera variación fundamental respecto a la obtención del crudo en una planta convencional, el combustible en nuestro caso el carbón antracítico forma parte de la dosificación de la mezcla cruda que es aplicada al molino.

El producto obtenido es denominado Black Raw Meal (BRM) o crudo negro

que es una de las variantes mas populares para el material crudo alimentado a los VSK.

En el caso de CSSA la mezcla básica para el diseño de crudo es obtenida a partir de una mezcla de caliza y arcilla, usando como corrector el mineral de hierro; con el añadido del carbón antracítico que es usado como combustible en la etapa posterior de calcinación. Es la etapa de calcinación o clinkerización la que presenta la mayor diferenciación respecto a los procesos de los hornos cementeros convencionales. En principio el VSK no esta dotado de quemadores u equipos de combustión alternos, el combustible aplicado en la etapa de molienda de crudo genera una auto combustión en el interior del VSK, luego del proceso de calentamiento inicial del horno a temperaturas superiores al punto de ignición del carbón antracítico.

Zona de Calcinación en el horno vertical Otra variante esta dada por el tipo de proceso, el cual se desarrolla en vía seca hasta la etapa de almacenamiento y homogenización del Black Raw Meal, convirtiéndose en la etapa de clinkerización a una vía mixta, al aplicarse agua al crudo antes de su ingreso al horno. Esta etapa se efectúa con el objeto de asegurar el tiempo de residencia adecuado del material en el horno, que por su disposición vertical difícilmente puede mantener material seco y finamente molido el tiempo necesario para asegurar la clinkerización Para esta etapa se dispone de dos equipos inexistentes en un horno rotativo convencional: un mezclador helicoidal de doble eje, equipo en el cual se adiciona el agua pulverizada mediante un sistema de toberas para asegurar una mezcla homogénea y finalmente se hace uso de un disco nodulizador o pelletizador para lograr que el material sea transformado desde su disposición de pasta humedecida producto de la aplicación del agua a partículas de forma esférica o nódulos con un diámetro promedio de 10 mm, de modo que la aplicación del crudo al VSK sea en forma de nódulos uniformes y con un régimen estable.

Nodulización del crudo BRM La etapa de clinkerización se inicia con la aplicación del material nodulizado en la parte superior del horno mediante un dispersador rotatorio que asegura una carga estable y uniformemente distribuida sobre el área de calcinación, esto con el objeto de asegurar la estabilidad del proceso. El proceso de calcinación pasa por etapas similares a las fases de clinkerización en los hornos rotatorios, con la variante que el precalentamiento, la precalcinación la calcinación y el enfriamiento ocurren a lo largo del mismo equipo, es decir durante el tiempo de residencia del material de 8 horas a diferentes niveles del VSK y a diferentes perfiles de temperatura se originan las reacciones características de obtención del clinker. El material clinkerizado luego de ser enfriado es descargado por la parte inferior del VSK mediante un mecanismo de dosificación, constituido por una torre cónica giratoria que actúa sobre una sección con forro metálico. El accionamiento del dosificador es mediante un motoreductor con velocidad variable lo que permite regular la descarga del clinker en función de la alimentación fresca de los nódulos de crudo. El clinker descargado pasa por una Chancadora lo que permite una reducción de tamaños importante antes de su aplicación al molino de cemento. La etapa final es la de molienda de cemento cuya operación es similar a cualquier etapa de finish mill de una planta cementera, de acuerdo al tipo de cemento se hace uso de una mezcla binaria o ternaria de clinker, yeso y puzolana. Los cementos obtenidos por CSSA son el Cemento Pórtland Tipo I (OPC) y el Cemento Puzolánico Tipo IP.

Plato Nodulizador donde se aprecia

el detalle del mecanismo de formación de los pellets.

etapa de clinkerización.

3. CLlNKERIZACION EN EL VSK Como variación fundamental respecto a la clinkerización en hornos rotatorios convencionales, en el caso del VSK la alimentación del crudo nodulizado origina una modificación en el proceso de calcinación que puede ser descrita mediante los perfiles de calcinación obtenidos en los nódulos de crudo, según el esquema adjunto: Material aglomerado donde se aprecia la elevada porosidad del clinker obtenido en el VSK.

Perfil de calcinación de los nódulos de crudo En el caso de los VSK la clinkerización se define a nivel de cada nódulo de crudo en el cual se desarrollan tres áreas concéntricas definidas en función del proceso de la clinkerización: Originándose las operaciones y reacciones de precalentamiento, descarbonatación y clinkerización. La cinética de reacción varía en función del contenido y distribución del carbón a nivel del nódulo y la disponibilidad de oxígeno para culminar la combustión del grano, en el núcleo del grano definitivamente la reacción se ve dificultada por la disponibilidad de oxigeno que debe llegar por difusión al interior del mismo, esto constituye la etapa crítica para el desarrollo completo de la clinkerización. Una característica física del clinker obtenido en los VSK es su elevada molturabilidad debido a la porosidad que presentan los granos de clinker obtenidos, propiedad que debe ser atribuida a la emigración de gases a través del nódulo durante la

Adicionalmente de acuerdo a la temperatura media alcanzada en la superficie de los pellets y en función de las reacciones fisico-químicas el material en el horno pasa por tres etapas definidas como: secado y pre-calentamiento, sinterización y enfriamiento; este perfil es mostrado en el gráfico siguiente:

Proceso de obtención del clinker El Secado y el pre-calentamiento: Constituido por la etapa donde el rango de temperaturas está comprendido entre 25º C y 1 280º C, es decir desde la entrada de los pellets al horno hasta la etapa previa a las reacciones de formación de fases del clinker, esta zona constituye del 5 % al 15 % de la altura del VSK. La sinterización; Etapa en la cual se desarrollan las reacciones de formación de las fases del clinker, las temperaturas fluctúan entre los 1280° C y los 1450º C, como características particulares se puede mencionar que en esta etapa se verifica una ligera contracción en el volumen de los nódulos y el inicio de la aglomeración de los mismos. Esta etapa se desarrolla en función de la técnica de calcinación empleada y de la disponibilidad de aire. Esta zona en promedio constituye un 15 % del VSK.

El enfriamiento: es la etapa comprendida desde la interfase de la capa de clinkerización hasta la descarga del clinker, las temperaturas características de esta etapa varían desde los 1280º C hasta los 150º C.

La operación fundamental es el intercambio de calor entre el clinker y el aire fresco suministrado al VSK, se puede detallar que en la interfase el clinker formado se agrupa en grandes bloques al

ser sometido a un enfriamiento brusco, estas partículas son reducidas por trituración mediante el dosificador cónico de la descarga del horno, esta etapa ocupa del 75% al 85% del horno.

Clinker obtenido en el VSK

operaciones de secado, pre-calcinación, calcinación, sinterización y enfriamiento del clinker en diferentes niveles del mismo.

Disposición del VSK Como equipos auxiliares más importantes el VSK cuenta con dos balanzas de dosificación destinadas a crudo y carbón respectivamente, el caso de la balanza de carbón es una instalación complementaria que no opera normalmente salvo en las etapas de arranque del VSK o cuando existan problemas de dosificación de carbón en la molienda de crudo.

4. CARACTERISTICAS DEL HORNO VERTICAL VSK La instalación principal del VSK es una estructura vertical cilíndrica constituida por un casco metálico exterior y un forro refractario interior, el material refractario usado es de dos tipos para la sección cilíndrica se usa un ladrillo refractario' de alúmina similar al usado en los segmentos de baja temperatura del horno rotatorio, para la sección cónica de alta temperatura se usan ladrillos refractarios de alta alúmina con liga fosfórica. En la parte inferior existe un segmento con forros metálicos que permite la reducción de los bloques de clinker aglomerados mediante el dosificador cónico.

Vista General Edificio Horno N° 2

Además cuenta con un mezclador helicoidal de doble eje, un sistema automático de dosificación de agua y un disco nodulizador antes del VSK, en la salida del clinker opera una chancadora de quijadas. Para el tratamiento de los gases de combustión y la recuperación del material particulado el sistema cuenta con una cámara de precipitación de partículas dividida en dos etapas y un filtro dé mangas para la recuperación eficiente del material fino. Adicionalmente para suministrar el aire necesario para el enfriamiento y la combustión el VSK cuenta con un Blower ubicado en el nivel cero que asegura el ingreso de aire al equipo por la parte inferior en su mayor proporción, adicionalmente cuenta con una línea de suministro de aire complementario mediante un anillo circular ubicado en la parte central del horno, este dispositivo cuenta con ocho ingresos de aire al interior del VSK regulados por válvulas de dosificación que son operadas para compensar las deficiencias de combustión en segmentos puntuales del VSK.

suministrado por el Blower detallado en la sección de equipos auxiliares. El sistema de control presenta un nivel intermedio de automatización basada en una plataforma básica diseñada mediante PLC y un sistema de supervisión de proceso que permite el monitoreo en la sala de control de las variables más relevantes del proceso.

Balanzas de Alimentación de crudo y carbón del VSK El VSK a pesar de constituir un equipo único, físicamente presenta una división en dos tramos: una sección cilíndrica que cumple las veces del enfriador de un horno rotatorio y una sección cónica o reactor donde se desarrollan todas las reacciones de clinkerización. A pesar de representar aproximadamente tan solo el 15 % de la altura total del horno la sección cónica ubicada en el tramo superior del VSK, constituye el tramo crucial del mismo, pues es el reactor donde se desarrollan todas las reacciones físico-químicas de formación del clinker: eliminación del agua usada en al elaboración de los pellets, precalentamiento de la masa de alimentación que ingresa a 28° C, eliminación del agua de cristalización de las materias primas de origen arcilloso, descarbonatación de la base calcárea del crudo, formación de la fase liquida y la final reacción en fase heterogénea líquido-sólida de formación de las fases del clinker.

Sala de Control Centralizada El control de temperaturas que constituyen una de las variables criticas de la operación se efectúa mediante tres anillos de termocuplas agrupadas en grupos de ocho en tres niveles del horno: en la zona de descarga para monitorear el nivel de enfriamiento alcanzado por el clinker, en el nivel intermedio para verificar la estabilidad de la zona de clinkerización y en la zona superior o de clinkerización que permite monitorear el proceso de clinkerización directamente.

Disposición de las Termocuplas y del anillo central de aire Vista interior del Horno N° 2 El tramo mayor del VSK es la sección cilíndrica que constituye el sistema de enfriamiento del horno, llevando el perfil de temperaturas desde la temperatura de clinkerización a 1450° C en la interfase con la sección cónica hasta los 150° C en la parte inferior, lugar por donde se descarga el clinker. Para cumplir esta función hace uso del aire Los gases de combustión, el vapor de agua, el aire residual y el material participado arrastrado es

Las otras variables fundamentales para al operación del VSK son: la estabilidad de la balanza de dosificación del crudo, la obtención de los pellets con la mayor uniformidad posible, la regulación de la descarga de clinker de modo que permita un régimen estable sin perturbaciones en el balance entre el material fresco que ingresa al horno y la salida del producto final y como variable complementaria se tiene la presión y distribución evacuado mediante tiro forzado por la parte superior del horno, hacia las cámaras de precipitación donde existen dos etapas de

recuperación de partículas para cada ducto de salida, los gases y el material particulado remanente pasa por un filtro de mangas para asegurar que la descarga final de la chimenea cumpla con las regulaciones ambientales.

Filtro de mangas para la recuperación de material particulado.

generación y estaba basado en el control visual del operador. El sistema recientemente desarrollado está basado en el control automático de las variables más importantes del proceso mediante instrumentos de campo integrados en una plataforma de PLC, que es complementado por un sistema de supervisión de procesos, que permite mediante microcomputadoras llevar el control operacional centralizado y con un monitoreo permanente del sistema. Esta aplicación ha permitido un incremento en la producción de un 10 %, una mejora en el rendimiento térmico de un 8%, y una importante reducción en el nivel de emisiones de los VSK. Adicionalmente, ha significado una mejora substancial en la seguridad operacional, pues reduce el riesgo por exposición directa de los operadores durante la inspección visual del horno. Esta tendencia debe afianzarse por el impulso que el gobierno de la RPD China está proporcionando a este tipo de innovación que revirtió en la tendencia de reducción de los VSK mecanizados observada a comienzos de la década pasada. En la India también existe un desarrollo similar que ha permitido la introducción de los VSK en el África con bastante éxito. BIBLIOGRAFIA

Cámara de precipitación de partículas 5. TENDENCIAS ACTUALES En la actualidad existen 6,000 plantas de VSK en el mundo, las cuales aportan a la producción mundial de cemento 200 millones de toneladas por año. Esta importante participación ha sido afianzada en los últimos años en la RPD China y en la India donde se han desarrollado importantes innovaciones con el objeto de optimizar la operación y el control de procesos. El desarrollo más importante de los últimos años es en el sistema de control automatizado en línea, el cual ha remplazado con éxito al sistema tradicional de control a puerta abierta (open door), sistema que fue ampliamente utilizado en los

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IX Simposium de Tecnología en la Industria del Cemento - ASOCEM