Manual Practico de Combustion y Clinkerizacion

MANUAL PRÁCTICO DE

COMBUSTION Y CLINKERIZACIÓN

. Ing. Percy Castillo Neira

PRESETACIÓ Al utilizar el fuego y apagarlo con agua, al percatarse de que el suelo se endu recía y soportaba ambos elementos, el hombre prehistórico prehis tórico descubrió los aglomerantes hidráulicos y aprendió a reproducirlos y utilizarlos, desarrollando verdaderos procesos de clinkerización de componentes silícicos y calcáreos, para disponer de materiales que pudiesen servirle para construir refugios refugios resistentes y seguros. La tecnificación de este proceso recién se produce en el siglo XIX al descubrir Joseph Aspdin el cemento Pórtland en 1824 y después de más de d e medio siglo, iniciar Patrick icodem el primer Horno Rotatorio de 1.50 m de diámetro, 15 metros de longitud y 20 toneladas por hora de producción. En el siglo XX el desarrollo tecnológico del horno cementero fue muy lento, pasando por un extenso alargamiento para desarrollar procesos en vía humeda, efectuando todas las operaciones de transformación en el mismo tubo durante más de 3 horas , hasta llegar a los hornos hornos extremadamente cortos cortos con precalcinación en los cuales el material llegó a permanecer solamente 10 minutos en el horno, sin resultados satisfactorios.

Durante todo este tiempo el proceso de clinkerización siempre fue el mismo y tan maravillosamente simple como el de combustión, pero los intereses económicos de los fabricantes de equipo han prevalecido sobre los fundamentos técnicos, complicando la tecnología en vez de simplificarla. Al tener la oportunidad de especializarnos y desarrollar actividades durante 30 años en los campos técnico, científico y académico, tanto de la combustión como de la clinkerización, hemos logrado simplificarla y desarrollar nuestra propia tecnología, demostrando que resulta perfectamente factible optimizar la combustión, convirtiendo el aporte térmico al proceso en una constante. En este libro ponemos a disposición de los Ingenieros de planta cementeros la oportunidad de acceder a esta nueva concepción de la tecnología, basada en la lógica, el criterio, el conocimiento y la experiencia que conforman la mejor ingeniería, aprovechando los formidables avances de la tecnología moderna para optimizar el sistema de producción de clínker y prepararlo para cumplir el importante rol que le confieren sus características para constituir el incinerador de basura del futuro sin convertirse en un basurero. En la primera parte se proporciona los fundamentos teóricos basados en la Teoría Inorgánica de la Combustión que permite a los Ingenieros y Técnicos de plantas industriales convertirse en verdaderos expertos en combustión. Tomando como punto de partida la calidad del polvo crudo alimentado, se revisa la tecnología moderna de precalentamiento y precalcinación, las op eraciones que se efectúan en el horno hasta conformar las fases mineralógicas que proporcionan sus características al clínker y el enfriamiento conveniente para su adecuada estabilización. La definición de que la evolución de la tecnología en este campo ha demostrado que la llama cónica hueca constituye la única opción elegible y qu e permite optimizar y estabilizar totalmente el aporte térmico al proceso, se demuestra y fundamenta, analizando las características operativas de los quemadores comerciales más utilizados y sus posibilidades de ajustarse a esta nu eva exigencia, lo que no resulta complicado, por basarse todos en el mismo principio de funcionamiento. Basados en esta nueva concepción, se efectúa el análisis y se determinan las soluciones para los problemas operativos tradicionales en el horno, procurando lograr el alto nivel de estabilización de variables operativas que facilite el objetivo de incorporar combustibles alternativos y residuos industriales urbanos, industriales y agrícolas, sin afectar sus niveles de producción, eficiencia y conciencia ecológica. Finalmente, formulamos un modelo del Horno Cementero del Siglo XXI que debería ser una constante en este campo, en razón de la demostración de la factibilidad técnica de alcanzar los niveles de optimización propuestos y la rentabilidad económica de las inversiones que resulten necesarias para conseguirlos, bajo la consideración de que representar una alternativa ecológica debe constituir al mismo tiempo un excelente negocio.

INDICE

Capítulo I

Teoría Inorgánica de la Combustión

2.1 Materia y Energía 2.2 Combustión orgánica y combustión inorgánica 2.3 Combustibles industriales y su relación Carbono/Hidrógeno 2.4 Calor de disociación y poder calorífico de los combustibles. 2.5 La partícula de carbón como núcleo básico de la combustión industrial

Capítulo II

La combustión como reacción química

1.1 Mecanismo general de las reacciones de combustión 1.2 Esquema básico de la combustión industrial 1.3 Tipos de combustión 1.4 La combustión heterogénea 1.5 El reactor de combustión

Capítulo III La combustión como proceso fisicoquímico

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

La llama como manifestación visible de la combustión Definición de las características de las partículas de carbón en la llama Gasodinámica de la combustión y control sobre la formación de llama Emisividad de llama y transferencia de calor por radiación Gases de combustión y transferencia de calor por convección

Capítulo IV El Aire de Combustión

4.1 Caracterización del Aire Atmosférico 4.2 Función Química del Aire en el Horno Cementero 4.3 Función Mecánica del Aire en el Horno Cementero 4.4 Función Termodinámica del Aire del aire en el Horno Cementero 4.5 El Horno Cementero en Altura

Capítulo V

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Combustibles Industriales

Criterios para evaluación y clasificación de combustibles industriales Gas natural en la Industria Cementera Combustibles líquidos en la industria cementera Combustibles sólidos en la industria cementera Criterios prácticos para selección de combustibles en eñ Horno y el Precalcinador 

Capítulo VI : CARACTERIZACIÓ DEL CRUDO DE ALIMETACIÓ

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

Composición quimico-mineralógica y reactividad de crudos Módulos químicos y dosificación de crudos Composición granulométrica y comportamiento del crudo Componentes secundarios Variación del crudo durante el proceso

Capítulo VII : PRECALETAMIETO Y CALCIACIÓ

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

Precalentador del crudo en suspensión de gases La reacción de descarbonatación El maravilloso concepto de la precalcinación Combustión y transferencia de calor en el precalcinador  Calentamiento y descarbonatación en el horno

Capítulo VIII :

SISTEMAS PARA PRECALCIACIÓ

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5

Selección de Quemadores para el Precalcinador  Clasificación de Sistemas de Precalcinación Análisis Operativo del Sistema Pyroclon de KHD Análisis Operativo del Sistema Flash Calciner de Fuller  Análisis Operativo del Sistema Prepol de Polysius

Capítulo IX : ODULIZACIÓ Y CLIKERIZACIÓ

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5

Concepción general del Proceso Formación de Fase Líquida y Nodulización Reacciones de Clinkerización Formación de Costra y Protección del Refractario Enfriamiento y Estabilización de Fases del Clinker 

Capítulo X : AALISIS OPERATIVO DEL HORO

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5

Evolución del Horno Cementero El horno como transportador  El Horno como tambor nodulizador  El Horno como Intercambiador de Calor  El Horno como Reactor de Combustión

Capítulo XI : EL QUEMADOR PRICIPAL

11.1 11.2 11.3 11.4 11.5

Funciones y Condiciones Básicas del Quemador en el Horno Cementero Definición de Parámetros de Diseño y Regulación del Quemador  Evolución del Diseño del Quemador y Formación de Llama Cónica Hueca Llama cónica Hueca y definición de zonas en el Horno Llama Cónica Hueca y protección del refractario

Capítulo XII :

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5

Evolución del diseño de quemadores comerciales Quemadores para Gas Natural Quemadores para Fuel Oil Quemadores para Carbón Pulverizado Modificación de quemadores actuales para formación de llama cónica hueca.

Capítulo XIII:

13.1 13.2 13.3 13.4 13.5

EVALUACIÓ Y COTROL OPERATIVO DEL SISTEMA DE PRODUCCIÓ DE CLIKER 

Control Operativo del Enfriador  Importancia del Análisis de Gases Balance de materia y energía del sistema Balances de sulfatos y álcalis Criterios prácticos para regulación de parámetros operativos del sistema

Capítulo XIV:

14.1 14.2 14.3 14.4 14.5

AÁLISIS DEL DISEÑO Y POSIBILIDADES DE REGULACIÓ DE LOS QUEMADORES ACTUALES

AÁLISIS Y SOLUCIÓ DE PROBLEMAS OPERATIVOS

Que hacer con el polvo crudo recuperado Pegaduras y Atoros en los ciclones Formación de Anillos Clínker Polvoso Molturabilidad y reactividad del Clínker 

Capítulo XV: LA FUCIÓ ECOLÓGICA DEL HORO CEMETERO

15.1 15.2 15.3 15.4 15.5

La combustión como solución ecológica Caracterización de combustibles alternos y Residuos Combustibles Quemadores y sistemas de combustión para combustibles alternos Control de emisiones en el horno cementero El Horno como incinerador de basura del futuro.

Capítulo XVI

16.1 16.2 16.3 16.4 16.5

EL HORO CEMETERO DEL SIGLO XXI

Preparación, dosificación y homogenización de crudo Precalentamiento y Precalcinación El Horno Cementero Combustibles alternos Control Operativo y Automatización

BIBLIOGRAFÏA ANEXOS

Ing. Percy Castillo eira La Historia de un Ingeniero de Planta Cementero Latinoamericano El 7 de enero de 1976, recién graduado como Magíster en Ingeniería Química, ingresé al mundo cementero. Mi primera impresión del horno cementero fue la de un enorme monstruo tecnológico complicado y peligroso, mezcla de ciencia y arte, sagrado y monárquico, porque no podía parar, todo lo que se hacía antes era para alimentarlo y de su producción dependía todo el mundo que nos rodeaba. En los años siguientes como Ingeniero de Turno, el calcinador me enseñó a operarlo y mi trabajo consistía en servirlo; también comencé a quererlo y complacerlo, pero todavía no lograba entenderlo, pese a estudiarme todos los manuales y libros especializados de la época, que entonces me parecían demasiado buenos y después comprobé que eran verdaderamente malos.

Al ser nombrado Jefe de Producción y negarme a firmar el primer parte de producción que me correspondía porque el consumo de combustible registrado era mayor al que yo conocía y alimentaba, marqué mi destino, porque la Gerencia me obligó a investigar y encontrar el faltante; así me introduje en el campo en el que ya desde hace algunos años soy conocido como experto a nivel del mundo de habla hispana y algo más: la Combustión. Al publicar artículos en Cemento Hormigón y conocer a Dante Veronelli en Argentina, tuve la oportunidad de viajar a España, conocer a José Calleja y trabajar con Francisco Soria Santamaría; estos 3 personajes de la mitología cementera iberoamericana marcaron mi orientación hacia la Clinkerización. En el Instituto Eduardo Torroja, al tener la oportunidad de investigar en el campo cientifico con los Grupos de Clinkerización y Adiciones, aportando mi experiencia de planta comencé a descubrir que todos los tabúes y misterios del horno cementero eran falsos, creados por los fabricantes para mantener presupuestos millonarios; por el contrario, todo lo que sucedía en el horno comenzó a parecerme lógico, claro y simple. Al tener que volver al Perú por razones familiares, por gestión de mis amigos y compañeros del Torroja, recibí una beca del Ministerio de Educación y Ciencia de España para seguir investigando, pero la utilicé parcialmente para especializarme en Combustión y Ahorro de Energía en el IDAE. Al completar mi especialización y gracias a PETROPERÚ, después de algún tiempo de trabajo e investigación en España, pude regresar a mi país, con la motivación de aportar mi doble especialización, formando Combustión Industrial S.A. para este propósito. Durante los últimos 22 años, con mis colaboradores, hemos desarrollado cientos de proyectos vinculados a todas las formas de producción industrial, pero preferentemente en hornos cementeros de la mayoría de países de Latinoamérica. También publicado varios libros sobre combustión y en el campo cementero la revista Combustión y Clinkerización, editada en el Perú y difundida a nivel mundial, manteniéndola actualmente a disposición de todos en nuestra web “www.combustionindustrial.com”. En cada experiencia técnica, científica y académica que he participado he podido comprobar y demostrar que ambos procesos, Combustión y Clinkerización, son maravillosamente simples, si se enfocan y aplican con la mentalidad, el criterio y la ingeniería adecuadas. En el campo de la Combustión, la Teoría Inorgánica de la Combustión ha simplificado y puesto al alcance de todos, la oportunidad de ser verdaderos expertos en combustión, favoreciendo la utilización eficiente y ecológica de los combustibles fósiles en todos los sectores. Al publicar el “Manual Práctico de Combustión y Clinkerización” me propongo hacer que todo el esfuerzo realizado valga la pena, poniendo a disposición de todos los ingenieros de planta cementeros la oportunidad de compartir esta nueva concepción de la tecnología del mundo cementero, para que puedan conseguir en muy poco tiempo el nivel de especialización que tanto tiempo me ha costado, pero que también por cierto he disfrutado, porque el Horno Cementero representa un verdadero paraíso para quienes amamos la ingeniería. Todos los amigos y colegas con quienes hemos compartido las experiencias referidas pueden considerarse coautores del presente libro y estoy seguro de que seguirán colaborando para mantenerlo entre todos permanentemente actualizado en la cresta de la ola tecnológica mundial.

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