Horno de cemento

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Los hornos de cemento se utilizan para la etapa de piroprocesamiento de la fabricación de cemento Portland y otros tipos de cemento hidráulico , en la que el carbonato de calcio reacciona con minerales que contienen sílice para formar una mezcla de silicatos de calcio . Se fabrican más de mil millones de toneladas de cemento por año, y los hornos de cemento son el corazón de este proceso de producción: su capacidad generalmente define la capacidad de la planta de cemento. Como la principal etapa de consumo de energía y emisión de gases de efecto invernadero de la fabricación de cemento, la mejora de la eficiencia del horno ha sido la preocupación central de la tecnología de fabricación de cemento. Las emisiones de los hornos de cemento son una fuente importante de emisiones de gases de efecto invernadero , y representan alrededor del 2,5% de las emisiones de carbono no naturales en todo el mundo. ^[1]

Un proceso típico de fabricación consta de tres etapas:

• moler una mezcla de piedra caliza y arcilla o pizarra para hacer una "mezcla cruda" fina (ver Molino crudo );
• calentar la mezcla cruda a la temperatura de sinterización (hasta 1450 °C) en un horno de cemento;
• moler el clínker resultante para fabricar cemento (ver Molino de cemento ).

En la segunda etapa, la mezcla cruda se introduce en el horno y se calienta gradualmente por contacto con los gases calientes de la combustión del combustible del horno . A medida que aumenta la temperatura de la mezcla cruda, se producen reacciones químicas sucesivas:

• 70 a 110 °C – El agua libre se evapora.
• 400 a 600 °C – los minerales arcillosos se descomponen en sus óxidos constituyentes; principalmente SiO ₂ y Al ₂ O ₃ . La dolomita (CaMg(CO ₃ ) ₂ ) se descompone en carbonato de calcio (CaCO ₃ ), MgO y CO ₂ .
• 650 a 900 °C – el carbonato de calcio reacciona con SiO ₂ para formar belita (Ca ₂ SiO ₄ ) (también conocida como C2S en la industria del cemento).
• 900 a 1050 °C: el carbonato de calcio restante se descompone en óxido de calcio (CaO) y CO ₂ .
• 1300 a 1450 °C: se produce una fusión parcial (20–30 %) y la belita reacciona con el óxido de calcio para formar alita (Ca ₃ O·SiO ₄ ) (también conocida como C3S en la industria del cemento).

La alita es el componente característico del cemento Portland . Normalmente, se necesita una temperatura máxima de 1400–1450 °C para completar la reacción. La fusión parcial hace que el material se agregue en grumos o nódulos, normalmente de 1–10 mm de diámetro. Esto se llama clínker. El clínker caliente luego cae en un enfriador que recupera la mayor parte de su calor y enfría el clínker a alrededor de 100 °C, temperatura a la que puede transportarse cómodamente al almacenamiento. El sistema de horno de cemento está diseñado para llevar a cabo estos procesos.

El clínker de cemento Portland se fabricó por primera vez (en 1825) en una forma modificada del horno de cal estático tradicional . ^{[2] [3] [4]} El horno de cal básico, con forma de copa de huevo, estaba provisto de una extensión cónica o en forma de colmena para aumentar el tiro y así obtener la temperatura más alta necesaria para fabricar clínker de cemento. Durante casi medio siglo, este diseño, y pequeñas modificaciones, siguieron siendo el único método de fabricación. El horno estaba restringido en tamaño por la fuerza de los trozos de mezcla cruda: si la carga en el horno colapsaba por su propio peso, el horno se extinguía. Por esta razón, los hornos de colmena nunca producían más de 30 toneladas de clínker por lote. Un lote tardaba una semana en producirse: un día para llenar el horno, tres días para quemarlo, dos días para enfriarlo y un día para descargarlo. Por lo tanto, un horno produciría alrededor de 1500 toneladas por año.

Alrededor de 1885, comenzaron los experimentos sobre el diseño de hornos continuos. Uno de ellos fue el horno de cuba, de diseño similar a un alto horno. La mezcla cruda en forma de grumos y el combustible se añadían continuamente por la parte superior, y el clínker se extraía continuamente por la parte inferior. Se insuflaba aire a presión desde la base para quemar el combustible. El horno de cuba tuvo un breve período de uso antes de ser eclipsado por el horno rotatorio, pero tuvo un renacimiento limitado a partir de 1970 en China y en otros lugares, cuando se utilizó para plantas de pequeña escala y baja tecnología en áreas rurales alejadas de las rutas de transporte. Se construyeron varios miles de hornos de este tipo en China. Un horno de cuba típico produce entre 100 y 200 toneladas por día.

A partir de 1885 se iniciaron los ensayos para el desarrollo del horno rotatorio , que hoy representa más del 95% de la producción mundial.

El horno rotatorio consiste en un tubo hecho de chapa de acero y revestido con ladrillo refractario . El tubo tiene una ligera pendiente (1–4°) y gira lentamente sobre su eje a una velocidad de entre 30 y 250 revoluciones por hora. La mezcla cruda se introduce en el extremo superior y la rotación del horno hace que se desplace gradualmente cuesta abajo hasta el otro extremo del horno. En el otro extremo se introduce combustible, en forma de gas, aceite o combustible sólido pulverizado, a través del "tubo del quemador", lo que produce una gran llama concéntrica en la parte inferior del tubo del horno. A medida que el material se mueve bajo la llama, alcanza su temperatura máxima, antes de caer del tubo del horno al enfriador. El aire pasa primero a través del enfriador y luego a través del horno para la combustión del combustible. En el enfriador, el aire se calienta mediante el clínker que se enfría, de modo que puede estar a 400 a 800 °C antes de entrar en el horno, lo que provoca una combustión intensa y rápida del combustible.

Los primeros hornos rotatorios que tuvieron éxito se desarrollaron en Pensilvania alrededor de 1890, basándose en un diseño de Frederick Ransome , ^[5] y tenían alrededor de 1,5 m de diámetro y 15 m de longitud. Un horno de este tipo producía alrededor de 20 toneladas de clínker por día. El combustible, inicialmente, era petróleo, que estaba fácilmente disponible en Pensilvania en ese momento. Era particularmente fácil obtener una buena llama con este combustible. En los siguientes 10 años, se desarrolló la técnica de cocción mediante soplado de carbón pulverizado, lo que permitió el uso del combustible más barato disponible. En 1905, los hornos más grandes tenían un tamaño de 2,7 x 60 m y producían 190 toneladas por día. En esa fecha, después de solo 15 años de desarrollo, los hornos rotatorios representaban la mitad de la producción mundial. Desde entonces, la capacidad de los hornos ha aumentado de manera constante y los hornos más grandes producen hoy alrededor de 10.000 toneladas por día. A diferencia de los hornos estáticos, el material pasa a través de ellos rápidamente: tarda entre 3 horas (en algunos hornos antiguos de proceso húmedo) y tan solo 10 minutos (en hornos de precalcinación cortos). Los hornos rotativos funcionan las 24 horas del día y, por lo general, se detienen solo unos días una o dos veces al año para realizar tareas de mantenimiento esenciales. Uno de los principales trabajos de mantenimiento de los hornos rotativos es el mecanizado y rectificado de las superficies de los neumáticos y los rodillos, que se pueden realizar mientras el horno funciona a pleno rendimiento a velocidades de hasta 3,5 rpm. Se trata de una disciplina importante, porque el calentamiento y el enfriamiento son procesos largos, derrochadores y perjudiciales. Se han logrado funcionamientos ininterrumpidos de hasta 18 meses.

Desde los primeros tiempos, se utilizaron dos métodos diferentes de preparación de la mezcla cruda: los componentes minerales se molían en seco para formar un polvo similar a la harina, o se molían en húmedo con agua añadida para producir una suspensión fina con la consistencia de la pintura y con un contenido de agua típico del 40 al 45%. ^[6]

El proceso húmedo presentaba la desventaja obvia de que, cuando se introducía la pulpa en el horno, se utilizaba una gran cantidad de combustible adicional para evaporar el agua. Además, se necesitaba un horno más grande para una determinada producción de clínker, porque gran parte de la longitud del horno se dedicaba al proceso de secado. Por otro lado, el proceso húmedo tenía una serie de ventajas. La molienda húmeda de minerales duros suele ser mucho más eficiente que la molienda seca. Cuando la pulpa se seca en el horno, forma una miga granular que es ideal para el calentamiento posterior en el horno. En el proceso seco, es muy difícil mantener la mezcla cruda de polvo fino en el horno, porque los gases de combustión que fluyen rápidamente tienden a expulsarla nuevamente. Se convirtió en una práctica rociar agua en los hornos secos para "humedecer" la mezcla seca y, por lo tanto, durante muchos años hubo poca diferencia de eficiencia entre los dos procesos, y la gran mayoría de los hornos utilizaron el proceso húmedo. En 1950, un horno típico de proceso húmedo de gran tamaño, equipado con intercambiadores de calor en la zona de secado, medía 3,3 x 120 m, producía 680 toneladas por día y utilizaba entre 0,25 y 0,30 toneladas de carbón como combustible por cada tonelada de clínker producida. Antes de que la crisis energética de los años 70 pusiera fin a las nuevas instalaciones de proceso húmedo, hornos de hasta 5,8 x 225 m producían 3000 toneladas por día.

Una nota a pie de página interesante sobre la historia del proceso húmedo es que algunos fabricantes han logrado que instalaciones de proceso húmedo muy antiguas resulten rentables mediante el uso de combustibles residuales . Las plantas que queman combustibles residuales disfrutan de un coste de combustible negativo (son pagadas por las industrias que necesitan deshacerse de materiales que tienen contenido energético y que pueden desecharse de forma segura en el horno de cemento gracias a sus altas temperaturas y tiempos de retención más prolongados). Como resultado, la ineficiencia del proceso húmedo es una ventaja... para el fabricante. Al ubicar las operaciones de quema de residuos en lugares de proceso húmedo más antiguos, un mayor consumo de combustible en realidad equivale a mayores ganancias para el fabricante, aunque produce correspondientemente una mayor emisión de CO2 _. Los fabricantes que piensan que se deberían reducir dichas emisiones están abandonando el uso del proceso húmedo.

En la década de 1930, en Alemania, se hicieron los primeros intentos de rediseñar el sistema de hornos para minimizar el desperdicio de combustible. ^[7] Esto condujo a dos avances importantes:

• El precalentador de rejilla
• El precalentador de suspensión de gas.

El precalentador de parrilla consiste en una cámara que contiene una parrilla móvil de acero de alta temperatura en forma de cadena, unida al extremo frío del horno rotatorio. ^[8] Una mezcla cruda de polvo seco se convierte en gránulos duros de 10 a 20 mm de diámetro en una bandeja de nodulización, con la adición de un 10 a 15% de agua. Los gránulos se cargan en la parrilla móvil y los gases de combustión calientes de la parte trasera del horno pasan a través del lecho de gránulos desde abajo. Esto seca y calcina parcialmente la mezcla cruda de manera muy eficiente. Luego, los gránulos caen al horno. Muy poco material en polvo sale del horno. Debido a que la mezcla cruda se humedece para hacer gránulos, esto se conoce como un proceso "semiseco". El precalentador de parrilla también se puede utilizar en el proceso "semihúmedo", en el que la mezcla cruda se convierte en una suspensión, que primero se deshidrata con un filtro de alta presión, y la "torta de filtración" resultante se extruye en pellets, que se introducen en la parrilla. En este caso, el contenido de agua de los pellets es del 17-20%. Los precalentadores de parrilla fueron más populares en los años 50 y 60, cuando un sistema típico tenía una parrilla de 28 m de largo y 4 m de ancho, y un horno rotatorio de 3,9 x 60 m, que producía 1050 toneladas por día, utilizando aproximadamente 0,11-0,13 toneladas de combustible de carbón por cada tonelada de clínker producida. Se instalaron sistemas de hasta 3000 toneladas por día.

El componente clave del precalentador de suspensión de gas es el ciclón . Un ciclón es un recipiente cónico en el que se hace pasar tangencialmente una corriente de gas que contiene polvo. Esto produce un vórtice dentro del recipiente. El gas sale del recipiente a través de un "buscador de vórtices" coaxial. Los sólidos son arrojados al borde exterior del recipiente por acción centrífuga y salen a través de una válvula en el vértice del cono. Los ciclones se utilizaban originalmente para limpiar los gases cargados de polvo que salían de los hornos de proceso seco simples. Si, en cambio, se fuerza a toda la alimentación de mezcla cruda a pasar a través del ciclón, se produce un intercambio de calor muy eficiente : el gas se enfría de manera eficiente, lo que produce menos desperdicio de calor a la atmósfera, y la mezcla cruda se calienta de manera eficiente. La eficiencia de transferencia de calor aumenta aún más si se conectan varios ciclones en serie.

El número de etapas de ciclones utilizadas en la práctica varía de 1 a 6. Se requiere energía, en forma de potencia del ventilador, para hacer pasar los gases a través de la cadena de ciclones y, en una cadena de 6 ciclones, el costo de la potencia adicional del ventilador necesaria para un ciclón adicional supera la ventaja de eficiencia obtenida. Es normal utilizar el gas de escape caliente para secar las materias primas en el molino de crudo y, si las materias primas están húmedas, es deseable el gas caliente de un precalentador menos eficiente. Por esta razón, los precalentadores de suspensión más comunes tienen 4 ciclones. La alimentación caliente que sale de la base de la cadena de precalentadores suele estar calcinada en un 20 %, por lo que el horno tiene menos procesamiento posterior que realizar y, por lo tanto, puede lograr una mayor producción específica. Los grandes sistemas típicos instalados a principios de los años 1970 tenían ciclones de 6 m de diámetro y un horno rotatorio de 5 x 75 m, que producían 2.500 toneladas por día y utilizaban alrededor de 0,11-0,12 toneladas de combustible de carbón por cada tonelada de clínker producida.

Una penalización que se paga por la eficiencia de los precalentadores de suspensión es su tendencia a bloquearse. Las sales, como el sulfato y el cloruro de sodio y potasio, tienden a evaporarse en la zona de combustión del horno. Se transportan de vuelta en forma de vapor y se vuelven a condensar cuando se alcanza una temperatura suficientemente baja. Debido a que estas sales recirculan de nuevo hacia la mezcla cruda y vuelven a entrar en la zona de combustión, se establece un ciclo de recirculación. Un horno con un 0,1% de cloruro en la mezcla cruda y el clínker puede tener un 5% de cloruro en el material del medio horno. La condensación suele producirse en el precalentador y un depósito pegajoso de sales líquidas pega la mezcla cruda polvorienta formando un depósito duro, normalmente en las superficies contra las que impacta el flujo de gas. Esto puede obstruir el precalentador hasta el punto de que ya no se puede mantener el flujo de aire en el horno. Entonces se hace necesario eliminar manualmente la acumulación. Las instalaciones modernas suelen tener dispositivos automáticos instalados en puntos vulnerables para eliminar la acumulación periódicamente. Un enfoque alternativo es "purgar" parte del escape del horno en la entrada del horno, donde las sales aún están en la fase de vapor, y eliminar y descartar los sólidos en este. Esto generalmente se denomina "purga de álcali" e interrumpe el ciclo de recirculación. También puede ser ventajoso por razones de calidad del cemento, ya que reduce el contenido de álcali del clínker. El contenido de álcali es una propiedad crítica del cemento. De hecho, el cemento con un contenido de álcali demasiado alto puede causar una reacción álcali-sílice dañina (ASR) en el hormigón elaborado con agregados que contienen sílice amorfa reactiva . Se forma un gel de sílice sódico higroscópico e hinchable dentro de los agregados reactivos que desarrollan fisuras internas características. Esta reacción química expansiva que ocurre en la matriz del hormigón genera una alta tensión de tracción en el hormigón y crea grietas que pueden arruinar una estructura de hormigón. Sin embargo, el gas caliente se desperdicia, por lo que el proceso es ineficiente y aumenta el consumo de combustible del horno.

En la década de 1970, el precalcinador fue pionero en Japón y, posteriormente, se convirtió en el equipo de elección para nuevas instalaciones de gran tamaño en todo el mundo. ^[9] El precalcinador es un desarrollo del precalentador de suspensión. La filosofía es la siguiente: la cantidad de combustible que se puede quemar en el horno está directamente relacionada con el tamaño del horno. Si parte del combustible necesario para quemar la mezcla cruda se quema fuera del horno, la salida del sistema se puede aumentar para un tamaño de horno determinado. Los usuarios de precalentadores de suspensión descubrieron que la salida se podía aumentar inyectando combustible adicional en la base del precalentador. El desarrollo lógico fue instalar una cámara de combustión especialmente diseñada en la base del precalentador, en la que se inyecta carbón pulverizado . Esto se conoce como un precalcinador de "aire pasante", porque el aire de combustión tanto para el combustible del horno como para el combustible del calcinador pasa a través del horno. Este tipo de precalcinador puede quemar hasta un 30% (normalmente un 20%) de su combustible en el calcinador. Si se inyectara más combustible en el calcinador, la cantidad adicional de aire que pasaría por el horno enfriaría excesivamente la llama del horno. El material de alimentación se calcina entre un 40 y un 60% antes de entrar en el horno rotatorio.

El desarrollo más reciente es el precalcinador "separado por aire", en el que el aire caliente de combustión para el calcinador llega a un conducto directamente desde el enfriador, sin pasar por el horno. Normalmente, entre el 60 y el 75 % del combustible se quema en el precalcinador. En estos sistemas, la alimentación que entra en el horno rotatorio está calcinada al 100 %. El horno solo tiene que elevar la alimentación a la temperatura de sinterización. En teoría, la máxima eficiencia se lograría si todo el combustible se quemara en el precalentador, pero la operación de sinterización implica una fusión parcial y nodulización para producir clínker, y la acción de laminación del horno rotatorio sigue siendo la forma más eficiente de hacerlo. Las grandes instalaciones modernas suelen tener dos cadenas paralelas de 4 o 5 ciclones, uno conectado al horno y el otro conectado a la cámara del precalcinador. Un horno rotatorio de 6 x 100 m produce entre 8.000 y 10.000 toneladas al día, utilizando entre 0,10 y 0,11 toneladas de carbón como combustible por cada tonelada de clínker producida. El horno queda eclipsado por la enorme torre de precalentamiento y el enfriador de estas instalaciones. Un horno de este tipo produce 3 millones de toneladas de clínker al año y consume 300.000 toneladas de carbón. Un diámetro de 6 m parece ser el límite de tamaño de los hornos rotatorios, porque la flexibilidad de la carcasa de acero se vuelve inmanejable a partir de este tamaño y el revestimiento de ladrillo refractario tiende a fallar cuando el horno se flexiona.

Una ventaja particular del precalcinador separado del aire es que una gran proporción, o incluso el 100%, de los gases de escape del horno cargados de álcali se puede extraer como purga de álcali (ver arriba). Dado que esto representa solo el 40% del aporte de calor del sistema, se puede realizar con menor pérdida de calor que en una simple purga de precalentador de suspensión. Debido a esto, los precalcinadores separados del aire ahora siempre se recomiendan cuando solo se dispone de materias primas con alto contenido de álcali en una planta de cemento.

Las cifras adjuntas muestran la tendencia hacia el uso de los procesos más eficientes en América del Norte (para los cuales hay datos fácilmente disponibles), pero la producción media por horno en, por ejemplo, Tailandia, es el doble que en América del Norte.

Los equipos esenciales además del tubo del horno y el precalentador son:

• Enfriador
• Molinos de combustible
• Aficionados
• Equipo de limpieza de gases de escape.

Los primeros sistemas utilizaban enfriadores rotatorios, que eran cilindros giratorios similares al horno, en los que caía el clínker caliente. ^[10] El aire de combustión se aspiraba a través del enfriador a medida que el clínker descendía, en cascada a través de la corriente de aire. En la década de 1920, los enfriadores satélite se hicieron comunes y se mantuvieron en uso hasta hace poco. Estos consisten en un conjunto (normalmente de 7 a 9) de tubos unidos al tubo del horno. Tienen la ventaja de que están sellados al horno y no requieren un accionamiento independiente. A partir de 1930 aproximadamente, se desarrolló el enfriador de parrilla. Este consiste en una parrilla perforada a través de la cual se sopla aire frío, encerrado en una cámara rectangular. Un lecho de clínker de hasta 0,5 m de profundidad se mueve a lo largo de la parrilla. Estos enfriadores tienen dos ventajas principales: (1) enfrían el clínker rápidamente, lo que es deseable desde el punto de vista de la calidad del clínker; evita que la alita ( C
₃S ), termodinámicamente inestable por debajo de 1250 °C, vuelve a convertirse en belita ( C
₂S ) y CaO libre (C) al enfriarse lentamente:

C ₃ S → C ₂ S + C + calor       (una reacción exotérmica favorecida por la liberación de calor),

(Como la alita es responsable del desarrollo temprano de la resistencia durante el fraguado y endurecimiento del cemento, es deseable el mayor contenido posible de clínker en alita)

y, (2) debido a que no giran, se puede extraer aire caliente de ellos para utilizarlo en el secado de combustible o como aire de combustión del precalcinador. Esta última ventaja significa que se han convertido en el único tipo utilizado en los sistemas modernos.

Los sistemas de combustible se dividen en dos categorías: ^[11]

• Disparo directo
• Disparo indirecto

En la combustión directa, el combustible se alimenta a un ritmo controlado al molino de combustible y el producto fino se inyecta inmediatamente en el horno. La ventaja de este sistema es que no es necesario almacenar el combustible molido peligroso: se utiliza tan pronto como se produce. Por este motivo, era el sistema elegido para los hornos más antiguos. Una desventaja es que el molino de combustible tiene que funcionar todo el tiempo: si se estropea, el horno tiene que pararse si no hay un sistema de respaldo disponible.

En la combustión indirecta, el combustible se muele mediante un molino que funciona de forma intermitente y el producto fino se almacena en un silo de tamaño suficiente para abastecer al horno durante los períodos de parada del molino de combustible. El combustible fino se extrae del silo a un ritmo controlado y se inyecta en el horno. Este método es el preferido en la actualidad para los sistemas de precalcinación, porque tanto el horno como el precalcinador pueden alimentarse con combustible del mismo sistema. Se requieren técnicas especiales para almacenar el combustible fino de forma segura y los carbones con alto contenido de volátiles normalmente se muelen en una atmósfera inerte (por ejemplo, CO2 ₎ .

Es necesario mover un gran volumen de gases a través del sistema del horno. ^[12] En particular, en los sistemas de precalentamiento por suspensión, se debe desarrollar un alto grado de succión a la salida del sistema para impulsarlo. También se utilizan ventiladores para forzar el aire a través del lecho del enfriador y para impulsar el combustible hacia el horno. Los ventiladores representan la mayor parte de la energía eléctrica consumida en el sistema, que normalmente asciende a 10–15 kW·h por tonelada de clínker.

Los gases de escape de un horno moderno suelen ascender a 2 toneladas (o 1500 metros cúbicos en condiciones normales de operación ) por tonelada de clínker producido. ^[13] Los gases transportan una gran cantidad de polvo, normalmente 30 gramos por metro cúbico. Las regulaciones ambientales específicas de los diferentes países requieren que esto se reduzca a (normalmente) 0,1 gramos por metro cúbico, por lo que la captura de polvo debe tener una eficiencia de al menos el 99,7%. Los métodos de captura incluyen precipitadores electrostáticos y filtros de mangas. Véase también emisiones de hornos de cemento .

Los combustibles que se han utilizado para la combustión primaria incluyen carbón , coque de petróleo , fueloil pesado , gas natural , gases de escape de vertederos y gases de combustión de refinerías de petróleo. ^[14] Debido a que el clínker se lleva a su temperatura máxima principalmente por transferencia de calor radiante, y una llama brillante (es decir, de alta emisividad ) y caliente es esencial para esto, los combustibles con alto contenido de carbono como el carbón que produce una llama luminosa a menudo se prefieren para la combustión en hornos. Donde es barato y está fácilmente disponible, a veces también se utiliza gas natural. Sin embargo, debido a que produce una llama mucho menos luminosa, tiende a dar como resultado un menor rendimiento del horno. ^[15]

Además de estos combustibles primarios, se han utilizado diversos materiales de desecho combustibles en los hornos. Estos combustibles alternativos (AF) incluyen:

• Neumáticos usados ​​para vehículos de motor
• Lodos de depuradora
• Residuos agrícolas
• Gas de vertedero
• Combustible derivado de residuos (CDR)
• Residuos químicos y otros residuos peligrosos

Los hornos de cemento son una forma atractiva de eliminar materiales peligrosos debido a:

• las temperaturas en el horno, que son mucho más altas que en otros sistemas de combustión (por ejemplo, incineradores),
• Las condiciones alcalinas en el horno, proporcionadas por la mezcla cruda con alto contenido de calcio, que puede absorber los productos de combustión ácidos,
• la capacidad del clínker de absorber metales pesados ​​en su estructura.

Un ejemplo notable es el uso de neumáticos de vehículos de motor desechados, que son muy difíciles de eliminar por otros medios. Los neumáticos enteros se introducen comúnmente en el horno haciéndolos rodar hasta el extremo superior de un horno de precalentamiento o dejándolos caer a través de una ranura en la mitad de un horno húmedo largo. En ambos casos, las altas temperaturas del gas (1000–1200 °C) provocan una combustión casi instantánea, completa y sin humo del neumático. Alternativamente, los neumáticos se cortan en trozos de 5–10 mm, en cuya forma se pueden inyectar en una cámara de combustión de precalcinador. El acero y el zinc de los neumáticos se incorporan químicamente al clínker, reemplazando parcialmente el hierro que de otro modo debe introducirse como materia prima.

Es necesario un alto nivel de monitoreo tanto del combustible como de sus productos de combustión para mantener un funcionamiento seguro. ^[16]

Para lograr la máxima eficiencia del horno, la mejor opción son los combustibles convencionales de alta calidad. Sin embargo, la quema de cualquier combustible, especialmente de materiales de desecho peligrosos, puede generar emisiones tóxicas. ^[17] Por lo tanto, es necesario que los operadores de hornos de cemento controlen de cerca muchas variables del proceso para garantizar que las emisiones se minimicen continuamente. En los EE. UU., los hornos de cemento están regulados por la EPA como una fuente importante de contaminación del aire y deben cumplir estrictos requisitos de control de la contaminación del aire. ^[18]

El objetivo de la operación del horno es producir clínker con las propiedades químicas y físicas requeridas, a la velocidad máxima que permita el tamaño del horno, cumpliendo con los estándares ambientales y al menor costo operativo posible. ^[19] El horno es muy sensible a las estrategias de control, y un horno mal operado puede duplicar fácilmente los costos operativos de una planta de cemento. ^[20]

La formación de los minerales deseados del clínker implica calentar la mezcla cruda a través de las etapas de temperatura mencionadas anteriormente. La transformación final que tiene lugar en la parte más caliente del horno, bajo la llama, es la reacción de la belita ( C ₂ S = 2CaO·SiO ₂ , o Ca ₂ SiO ₄ ) con óxido de calcio para formar alita ( C ₃ S = 3CaO·SiO ₂ , o Ca ₃ SiO ₅ ):

Ca ₂ SiO ₄ + CaO → Ca ₃ SiO ₅

También abreviado en la notación química del cemento (CCN) como:

C ₂ S + C → C ₃ S       ( reacción endotérmica favorecida por una temperatura más alta)

_El silicato tricálcico ( C3S , alita, Ca3SiO5 ) es termodinámicamente inestable por debajo de 1250 °C, pero se puede conservar en un estado metaestable a temperatura ambiente mediante enfriamiento rápido ( _{temple )} : con _un enfriamiento lento tiende a revertirse a belita ( Ca2SiO4 ₎ y CaO.

Si la reacción es incompleta, quedan cantidades excesivas de óxido de calcio libre en el clínker. La medición regular del contenido de CaO libre se utiliza como un medio para rastrear la calidad del clínker. Como parámetro en el control del horno, los datos de CaO libre son algo ineficaces porque, incluso con un muestreo y análisis automatizados rápidos, los datos, cuando llegan, pueden estar "desactualizados" 10 minutos, y se deben utilizar datos más inmediatos para el control minuto a minuto.

La conversión de belita en alita requiere una fusión parcial, siendo el líquido resultante el disolvente en el que tiene lugar la reacción. La cantidad de líquido, y por tanto la velocidad de la reacción de acabado, está relacionada con la temperatura. Para cumplir el objetivo de calidad del clínker, el control más obvio es que el clínker debe alcanzar una temperatura máxima tal que la reacción de acabado se lleve a cabo en el grado requerido. Otra razón para mantener una formación constante de líquido en el extremo caliente del horno es que el material de sinterización forma una presa que impide que la alimentación aguas arriba del enfriador se desborde del horno. La alimentación en la zona de calcinación, debido a que es un polvo que desprende dióxido de carbono , es extremadamente fluida. El enfriamiento de la zona de combustión y la pérdida de material no quemado en el enfriador se denomina "lavado" y, además de causar una pérdida de producción, puede causar daños masivos.

Sin embargo, para un funcionamiento eficiente, es necesario mantener condiciones estables en todo el sistema del horno. La alimentación en cada etapa debe estar a una temperatura tal que esté "lista" para su procesamiento en la etapa siguiente. Para garantizar esto, la temperatura tanto de la alimentación como del gas debe optimizarse y mantenerse en cada punto. Los controles externos disponibles para lograr esto son algunos:

• Velocidad de alimentación: define la salida del horno.
• Velocidad del horno rotatorio: controla la velocidad a la que se mueve el alimento a través del tubo del horno.
• Tasa de inyección de combustible: controla la velocidad a la que se calienta el "extremo caliente" del sistema.
• Velocidad o potencia del ventilador de escape: controla el flujo de gas y la velocidad a la que se extrae el calor del "extremo caliente" del sistema al "extremo frío".

En el caso de hornos precalcinadores, se dispone de controles adicionales:

• Control independiente del combustible para el horno y el calcinador.
• Controles de ventilador independientes donde hay múltiples cadenas de precalentador.

El uso independiente de la velocidad del ventilador y del caudal de combustible está limitado por el hecho de que siempre debe haber suficiente oxígeno disponible para quemar el combustible y, en particular, para quemar carbono y convertirlo en dióxido de carbono . Si se forma monóxido de carbono , esto representa un desperdicio de combustible y también indica condiciones reductoras dentro del horno que deben evitarse a toda costa, ya que causan la destrucción de la estructura mineral del clínker. Por este motivo, el gas de escape se analiza continuamente para detectar O ₂ , CO , NO y SO ₂ .

La evaluación de la temperatura pico del clínker siempre ha sido problemática. La medición de la temperatura por contacto es imposible debido a la naturaleza químicamente agresiva y abrasiva del clínker caliente, y los métodos ópticos como la pirometría infrarroja son difíciles debido a la atmósfera cargada de polvo y humo en la zona de combustión. El método tradicional de evaluación era observar el lecho de clínker y deducir la cantidad de formación de líquido mediante la experiencia. A medida que se forma más líquido, el clínker se vuelve más pegajoso y el lecho de material sube más alto por el lado ascendente del horno. Por lo general, también es posible evaluar la longitud de la zona de formación de líquido, más allá de la cual se puede ver el material en polvo "fresco". Para facilitar esto, se montan cámaras, con o sin capacidad de medición infrarroja, en la campana del horno. En muchos hornos, la misma información se puede inferir a partir de la potencia consumida por el motor del horno, ya que el material pegajoso que se desplaza por la parte alta de la pared del horno aumenta la carga de giro excéntrica del horno. Se puede obtener más información de los analizadores de gases de escape . La formación de NO a partir de nitrógeno y oxígeno se produce únicamente a altas temperaturas, por lo que el nivel de NO proporciona una indicación de la temperatura combinada de la alimentación y la llama. El SO2 _se forma por descomposición térmica del sulfato de calcio en el clínker, por lo que también proporciona una indicación de la temperatura del clínker. Los sistemas de control informáticos modernos suelen "calcular" la temperatura, utilizando las aportaciones de todas estas fuentes de información, y luego se ponen a controlarla.

Como ejercicio de control de procesos , el control de hornos es extremadamente desafiante debido a múltiples variables interrelacionadas, respuestas no lineales y retardos variables en el proceso. Los sistemas de control por computadora se probaron por primera vez a principios de la década de 1960, inicialmente con malos resultados debido principalmente a mediciones de proceso deficientes. Desde 1990, los sistemas de control de supervisión de alto nivel complejos han sido estándar en las nuevas instalaciones. Estos operan utilizando estrategias de sistema experto , que mantienen una temperatura de zona de combustión "justo suficiente", por debajo de la cual la condición operativa del horno se deteriorará catastróficamente, lo que requiere un control de respuesta rápida y "de precisión".

Las emisiones de las fábricas de cemento se determinan mediante métodos de medición continuos y discontinuos, que se describen en las directrices y normas nacionales correspondientes. La medición continua se utiliza principalmente para el polvo ( partículas ), NOx ₍ óxidos de nitrógeno ) y SO2 ₍ dióxido de azufre ), mientras que los demás parámetros relevantes según la legislación sobre contaminación ambiental se determinan normalmente de forma discontinua mediante mediciones individuales.

Las siguientes descripciones de emisiones se refieren a plantas de hornos modernas basadas en tecnología de proceso seco.

Durante el proceso de combustión del clínker se emite CO2, _{que representa} la mayor parte de estos gases. Las emisiones de CO2 _están relacionadas tanto con las materias primas como con la energía. Las emisiones relacionadas con las materias primas se producen durante la descarbonatación de la piedra caliza ₍ CaCO3 → CaO + CO2 ₎ y representan aproximadamente la mitad de las emisiones totales de CO2 _. El uso de combustibles con mayor contenido de hidrógeno que el carbón y el uso de combustibles alternativos pueden reducir las emisiones netas de gases de efecto invernadero. ^[16]

Para fabricar 1 tonelada de cemento Portland, durante la producción se deben moler hasta obtener una finura de polvo de entre 1,5 y 1,7 toneladas de materias primas, 0,1 toneladas de carbón y 1 tonelada de clínker (además de otros componentes del cemento y agentes de sulfato ). En este proceso, las etapas de procesamiento de la materia prima, preparación del combustible, combustión del clínker y molienda del cemento constituyen las principales fuentes de emisión de componentes particulados . Si bien en la década de 1960 se midieron emisiones de partículas de hasta 3000 mg/m3 ^saliendo de la chimenea de las plantas de cemento con hornos rotatorios, los límites legales en la actualidad suelen ser de 30 mg/m3 ^, y se pueden alcanzar niveles mucho más bajos.

El proceso de combustión del clínker es un proceso de alta temperatura que da lugar a la formación de óxidos de nitrógeno (NO _x ). La cantidad formada está directamente relacionada con la temperatura de la llama principal (normalmente entre 1850 y 2000 °C). El monóxido de nitrógeno (NO) representa alrededor del 95% y el dióxido de nitrógeno (NO ₂ ) alrededor del 5% de este compuesto presente en los gases de escape de las plantas de hornos rotativos . Como la mayor parte del NO se convierte en NO ₂ en la atmósfera, las emisiones se expresan como NO ₂ por metro cúbico de gas de escape.

_{Sin medidas de reducción, el contenido de NOx} relacionado con el proceso en los gases de escape de las plantas de hornos rotativos superaría en la mayoría de los casos considerablemente las especificaciones de, por ejemplo, la legislación europea para plantas de incineración de residuos (0,50 g/m3 ^para plantas nuevas y 0,80 g/m3 ^para plantas existentes). Las medidas de reducción tienen como objetivo suavizar y optimizar el funcionamiento de las plantas. Desde el punto de vista técnico, se aplican la combustión por etapas y la reducción selectiva no catalítica de NO (SNCR) para hacer frente a los valores límite de emisión.

Para convertir la mezcla de materias primas en clínker de cemento Portland se necesitan altas temperaturas de proceso. Las temperaturas de carga del horno en la zona de sinterización de los hornos rotatorios oscilan alrededor de los 1450 °C. Para alcanzarlas, se necesitan temperaturas de llama de aproximadamente 2000 °C. Por razones de calidad del clínker, el proceso de combustión se lleva a cabo en condiciones oxidantes, en las que predomina la oxidación parcial del nitrógeno molecular en el aire de combustión, lo que da lugar a la formación de monóxido de nitrógeno (NO). Esta reacción también se denomina formación térmica de NO. Sin embargo, a las temperaturas más bajas que prevalecen en un precalcinador, la formación térmica de NO es insignificante: en este caso, el nitrógeno ligado al combustible puede dar lugar a la formación de lo que se denomina NO relacionado con el combustible. Para reducir el NO se utiliza una combustión escalonada: se añade combustible para el calcinador cuando el aire de combustión es insuficiente. Esto provoca la formación de CO.
A continuación, el CO reduce el NO a nitrógeno molecular:

2 CO + 2 NO → 2 CO ₂ + N ₂ .

Luego se añade aire terciario caliente para oxidar el CO restante.

El azufre se introduce en el proceso de combustión de clínker a través de materias primas y combustibles. Dependiendo de su origen, las materias primas pueden contener azufre ligado en forma de sulfuro o sulfato. Las emisiones más elevadas _de SO2 en los sistemas de hornos rotativos de la industria del cemento se deben a los sulfuros contenidos en la materia prima, que se oxidan para formar SO2 _a las temperaturas de entre 370 °C y 420 °C que prevalecen en el precalentador del horno. La mayoría de los sulfuros son pirita o marcasita contenidas en las materias primas. Dadas las concentraciones de sulfuro encontradas, por ejemplo, en los yacimientos de materias primas alemanes, las concentraciones de emisiones de SO2 _pueden alcanzar hasta 1,2 g/m3 ^{, dependiendo de la ubicación del sitio. En algunos casos, se utiliza} hidróxido de calcio inyectado para reducir las emisiones _de SO2 .

El azufre que entra con los combustibles se convierte completamente en SO2 _durante la combustión en el horno rotatorio. En el precalentador y el horno, este SO2 _reacciona para formar sulfatos alcalinos , que se unen al clínker, siempre que se mantengan las condiciones oxidantes en el horno.

Las concentraciones de CO y carbono orgánico en los gases de escape son un parámetro para medir la velocidad de combustión de los combustibles utilizados en las plantas de transformación de energía, como las centrales eléctricas . En cambio, la combustión del clínker es un proceso de transformación de materiales que, por razones de calidad del clínker, siempre debe realizarse con exceso de aire. Esto, unido a los largos tiempos de residencia en el rango de altas temperaturas, provoca la combustión completa del combustible.

Las emisiones de CO y carbono orgánico durante el proceso de combustión de clínker son causadas por las pequeñas cantidades de componentes orgánicos que se introducen a través de las materias primas naturales (restos de organismos y plantas incorporados a la roca en el curso de la historia geológica). Estos se convierten durante el precalentamiento de la alimentación del horno y se oxidan para formar CO y CO ₂ . En este proceso, también se forman pequeñas porciones de gases traza orgánicos ( carbono orgánico total ). En el caso del proceso de combustión de clínker, el contenido de CO y gases traza orgánicos en el gas limpio puede, por tanto, no estar directamente relacionado con las condiciones de combustión. La cantidad de CO ₂ liberado es de aproximadamente media tonelada por tonelada de clínker. ^[21]

Los hornos rotatorios de la industria del cemento y las plantas de incineración clásicas se diferencian principalmente en las condiciones de combustión que prevalecen durante la combustión del clínker. Los gases de alimentación del horno y de escape del horno rotatorio se conducen en contracorriente y se mezclan completamente. Por lo tanto, la distribución de la temperatura y el tiempo de residencia en los hornos rotatorios ofrecen condiciones especialmente favorables para la destrucción completa de los compuestos orgánicos, ya sea introducidos a través de combustibles o derivados de ellos. Por ese motivo, solo se pueden encontrar concentraciones muy bajas de dibenzo-p-dioxinas policloradas y dibenzofuranos (coloquialmente " dioxinas y furanos ") en los gases de escape de los hornos rotatorios de cemento.

El comportamiento de emisión de los PCB es comparable al de las dioxinas y los furanos. Los PCB pueden introducirse en el proceso a través de materias primas y combustibles alternativos. Los sistemas de hornos rotatorios de la industria del cemento destruyen estos componentes traza prácticamente por completo. ^{[ cita requerida ]}

Los HAP (según la norma EPA 610) presentes en los gases de escape de los hornos rotatorios suelen aparecer en una proporción en la que predomina el naftaleno , que representa más del 90 % de la masa. Los sistemas de hornos rotatorios de la industria del cemento destruyen casi por completo los HAP que se introducen a través de los combustibles. Las emisiones se generan a partir de componentes orgánicos presentes en la materia prima.

En general, en los gases de escape de los hornos rotatorios se encuentran benceno , tolueno , etilbenceno y xileno en proporciones características. El BTEX se forma durante la descomposición térmica de los componentes orgánicos de la materia prima en el precalentador.

Los cloruros son componentes adicionales menores que se encuentran en las materias primas y combustibles del proceso de combustión de clínker. Se liberan cuando se queman los combustibles o se calienta la carga del horno y reaccionan principalmente con los álcalis de la carga del horno para formar cloruros alcalinos. Estos compuestos, que inicialmente son vapores, se condensan en la carga del horno o en el polvo del horno, a temperaturas entre 700 °C y 900 °C, luego vuelven a ingresar al sistema del horno rotatorio y se evaporan nuevamente. Este ciclo en el área entre el horno rotatorio y el precalentador puede provocar la formación de revestimientos. Una derivación a la entrada del horno permite reducir eficazmente los ciclos de cloruros alcalinos y disminuir los problemas de acumulación de revestimientos. Durante el proceso de combustión de clínker, los compuestos de cloro inorgánico gaseosos no se emiten en absoluto o solo en cantidades muy pequeñas.

Del flúor presente en los hornos rotatorios, entre el 90 y el 95 % se encuentra ligado al clínker y el resto se encuentra ligado al polvo en forma de fluoruro de calcio estable en las condiciones del proceso de combustión. Las fracciones de polvo ultrafinas que pasan a través del filtro de gas de medición pueden dar la impresión de un bajo contenido de compuestos de flúor gaseosos en los sistemas de hornos rotatorios de la industria del cemento.

El comportamiento de emisión de los elementos individuales en el proceso de combustión de clínker está determinado por el escenario de entrada, el comportamiento en la planta y la eficiencia de precipitación del dispositivo de recolección de polvo. Los elementos traza (por ejemplo, metales pesados ) introducidos en el proceso de combustión a través de las materias primas y los combustibles pueden evaporarse total o parcialmente en las zonas calientes del precalentador y/o del horno rotatorio según su volatilidad, reaccionar con los componentes presentes en la fase gaseosa y condensarse en la alimentación del horno en las secciones más frías del sistema del horno. Dependiendo de la volatilidad y de las condiciones de operación, esto puede dar lugar a la formación de ciclos que se limitan al horno y al precalentador o que también incluyen la planta combinada de secado y molienda. Los elementos traza de los combustibles entran inicialmente en los gases de combustión, pero solo se emiten en una medida extremadamente pequeña debido a la capacidad de retención del horno y del precalentador.

En las condiciones que prevalecen en el proceso de combustión del clínker, los elementos no volátiles (por ejemplo, arsénico , vanadio , níquel ) están completamente ligados en el clínker.

Elementos como el plomo y el cadmio reaccionan preferentemente con el exceso de cloruros y sulfatos en la zona entre el horno rotatorio y el precalentador, formando compuestos volátiles. Debido a la gran superficie disponible, estos compuestos se condensan sobre las partículas de alimentación del horno a temperaturas entre 700 °C y 900 °C. De esta manera, los elementos volátiles acumulados en el sistema horno-precalentador se precipitan de nuevo en el precalentador ciclónico, permaneciendo casi en su totalidad en el clínker.

El talio (en forma de cloruro) se condensa en la zona superior del precalentador ciclónico a temperaturas entre 450 °C y 500 °C. Como consecuencia, se puede formar un ciclo entre el precalentador, el secado de la materia prima y la purificación de los gases de escape.

El mercurio y sus compuestos no se precipitan en el horno ni en el precalentador, sino que se condensan en la ruta de los gases de escape debido al enfriamiento de los mismos y son parcialmente absorbidos por las partículas de materia prima. Esta parte se precipita en el filtro de gases de escape del horno.

Debido al comportamiento de los oligoelementos durante el proceso de combustión del clínker y a la alta eficiencia de precipitación de los dispositivos de recolección de polvo, las concentraciones de emisión de oligoelementos se encuentran en un nivel general bajo. ^{[ cita requerida ]}

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