Un Nuevo Enfoque para la Reducción de Tamaño de Partícula en el Apagado de Cal y la Molienda Húmeda de Caliza By: Mohamad Hassibi Chemco Systems, L.P. Revisión 1 Febrero 2009 La cal viva y la lechada de la piedra caliza natural, son utilizadas extensamente en la industria de control de contaminación atmosférica para la captura del SO2. La cal es utilizada para bajar el "ph" de aguas de desecho o industriales en sistemas de tratamientos municipales. Uno de los factores más importantes en cualquier proceso es la área superficial de las partículas de cal hidratadas agregadas al agua de desecho para ajustar el ph, o la captura del SO2 en el gas de combustión. Mientras más grande sea la área superficial disponible en un gramo de partículas, más eficiente será la reacción. Los últimos adelantos presentes, aceptan generalmente un rango de tamaño de partícula para la cal o la piedra caliza de 95% menos de 44 micras o 325 mallas. Por ejemplo, para la captura de SO2 con piedra caliza en FGD húmedo, mucha de las partículas más toscas nunca reacciona con los gases a causa del corto periodo de contacto y estas partículas son básicamente desechadas o mal usadas. Para que la piedra caliza pueda reaccionar con el gas SO2, debe haber alguna disolución de piedra caliza para que se pueda ionizar¹. La pulverización fina mejora generalmente la tasa de disolución, aumentando así la eficiencia de captura del SO2. En el caso de la cal, los tamaño de partícula más finos reaccionarán más rápido con los gases, y ellos son mucho más fáciles de distribuirse uniformemente a través del flujo de gas. Además, debido a una aumentada área superficial, se requiere menos cal para captar un cierto volumen de gas vs. Cal hidratada con un tamaño de partícula más grande. Para la piedra caliza, la reducción de tamaño de partícula, típicamente es hecha por un sistema de molienda que incluye un alimentador, un molino de bolas y un hidrociclón. El Dibujo N 1 muestra un diagrama d e flujo de proceso de un sistema típico de molienda de piedra caliza. Dibujo N 1
Para cal, las partículas de CaO son combinadas con agua, lo que tiene como resultado una reacción química llamada "proceso de hidratación" o "apagado de cal". El gráfico N 1 muestra una distribución típica d el tamaño de partícula lograda por la cal en el proceso de apagado. GRAFICO N 1 Este gráfico muestra una gran variedad de tamaños de partículas que van desde de 0,5 micrones hasta 57,48 micrones. Las partículas de la mediana son de 14,37 micrones. Si estrechamos (ajustamos) la banda de distribución de tamaño de partículas y reducimos el tamaño de partícula de la mediana, nosotros mejoraremos la calidad del reactivo substancialmente y reduciríamos el consumo de cal. Objetivo de la Nueva Tecnología El objetivo es de producir: Partículas más finas de cal hidratada que las que la tecnología actual puede producir; Un rango más ajustado de partículas que las que la tecnología actual puede alcanzar Ambos objetivos se logran con la nueva tecnología. El Gráfico N 2 muestra la distribución de tamaño de partículas lograda por el nuevo método.
GRAFICO N 2 Como se ha indicado arriba, la reducción del tamaño de la partícula dará como resultado un aumento del área de partículas, mejorando así la reacción para la captura de SO2. Las páginas siguientes mostrarán claramente cómo el nuevo proceso puede aumentar el área de las partículas en un gramo de Hidróxido de Calcio, o de Carbonato de Calcio Cálculo del Área Superficial Ver Gráficos 1 y 2 En la lechada de cal apagada (hidratada) tal como se muestra en el Gráfico N 1, la mitad de las partículas son más pequeña que 6,695 micras y la mitad más grande; La Lechada de Cal producida con molienda, con el sistema propuesto y como se muestra en el Gráfico N 2, la mitad de las partículas es más pequeña que 2,055 micras y la otra mitad más grande. Asumiendo partículas esféricas: El Volumen de cada partícula es La superficie de cada partícula es V=πD³/6 S= πd² Calculando con los valores dados para las partículas del Gráfico 1 para D50../³ V = = 0.000,000,157 milímetro cúbico m³ - Volumen S = 3.14 x (., ² = 0.000,140,744 milímetro cuadrado m² - Superficie
Calculando con los valores dados para las partículas del Gráfico 2 para D50. (./)³ V = = 0.000,000,005 milímetro cúbico m³ - Volumen S = 3.14 x (., )² = 0.000,001,326 milímetro cuadrado m² - Superficie Determinamos la relación de tamaño D50 entre Gráfico 1 y Gráfico 2 Relación de Volumen = =.,,.,, = 31.4 El volumen D50 de partículas en el Gráfico 1 es 31,4 veces más grande que partículas D50 del Gráfico 2. La Superficie Específica (S. S.) para las partículas D50 del Gráfico 1: S.S. = = ² ³/ = Donde D es el diámetro de la partícula al punto D50 Para el Gráfico N 1, D50 = 6.995 micrones ó 0.006, 995 mm Para el Gráfico N 2, D50 = 2.055 micrones ó 0.002, 055 mm S.S.1 =., = 857.7 = Área Superficial de las partículas D50 del gráfico N 1 S.S.2 =., = 2919.7 = Área Superficial de las partículas D50 del gráfico N 2 Relación de Superficies Específicas.... =,.. = 3,40 La superficie específica de las partículas D50 del Gráfico 2 son 3,40 veces la superficie específica de las partículas D50 Gráfico 1. Los cálculos antes mencionados son conservadores debido a que nosotros utilizamos el tamaño de partícula D50 (rango medio). De hecho, habrá una área mucho mayor que la mostrada arriba para el Gráfico 2, debido a que hay mucha mayor cantidad de partículas bajo el rango medio que sobre el rango medio.
PROCESS FLOW Dibujo N 2 El Dibujo de más arriba muestra el P&ID del Sistema Propuesto Descripción del Proceso La Cal viva en guijarros con tamaño de ¼" X 0 es almacenada en el silo de almacenamiento. La cal viva es retirada del silo de cal a través de un alimentador de tornillo a una tasa predeterminada. La cal y el agua son alimentados simultáneamente al cono de humectación donde la cal y el agua son mezcladas completamente y fluyen hacia abajo en el Molino Apagador. La mezcla es agitada en el molino y los granos de arena son molidos. Debido a la reacción exotérmica de la cal y el agua, la temperatura de la lechada se incrementa. El elemento sensor de temperatura RTD controla la temperatura de la lechada y ajusta la alimentación de agua de apagado en el cono de humectación, para mantener el valor preestablecido de la temperatura de apagado. En el tiempo de invierno, cuando la temperatura del agua es baja y si la generación de BTUs de la reacción química no es suficiente para alcanzar la temperatura apropiada (predeterminada), puede ser necesario un calentador externo auxiliar para lograr la temperatura apropiada de apagado especialmente en relaciones de alimentación menores al 50% de la capacidad máxima del sistema. La lechada de la cal apagada fluirá fuera del Molino Apagador de Bolas Attritor al Estanque de Producto del Molino. Un agitador de alta energía mantendrá las partículas grandes de granos de arena en suspensión en este estanque. La lechada de cal es bombeada desde el Estanque de Producto del Molino al Hidrociclón para la separación de los gruesos. El flujo inferior del Hidrociclón (con los gruesos) es devuelto al Molino Apagador de Bolas para su remolienda, el sobre flujo es descargado entonces en el Estanque de proceso intermedio de Lechada. Una porción del sobre flujo del Hidrociclón es devuelto al Estanque de Producto del Molino para mantener su nivel constante en este estanque. En el sobre flujo del Hidrociclón el 100% de las partículas son más pequeñas que 60 micras. La lechada del estanque intermedio de lechada es bombeada desde este estanque al fondo del Molina de Bolas Attritor Modelo "C" que es un molino que tiene encamisado para agua de enfriamiento. Al moler la lechada de cal apagada, es importante mantener la temperatura de la lechada de cal debajo de 140 F para prevenir la aglomeración de las partícul as más pequeñas.
En el Molino de Bolas Attritor Modelo "C", una porción de la energía consumida se convierte en calor debido a la fricción que se produce entre las bolas. Esta incremento de la temperatura debe ser controlada para que la temperatura de lechada se mantenga bajo los 140 F. Esto se logra circulando agua fría por la chaqueta o encamisado del molino. Las bombas de lechada que alimentan al Molino de Bolas Attritor "C", están equipados con VFD, variadores de frecuencia. El flujo de alimentación de estas bombas está controlado por un elemento de nivel instalado en el Estanque de Proceso Intermedio. La lechada de cal terminada sale del segundo Molino de Bolas hacia el Estanque de Lechada Terminada. Finalmente la lechada es transferida de este Estanque de Lechada Terminada hacia el o los Estanques de Almacenamiento de Lechada de Cal para su uso. El tamaño de las bolas en el Molino de Apagado es de 5/16 y el tamaño de bolas para el molino de molienda es de 1/8 o 3/16, dependiendo del tamaño final de molienda requerido. El Gráfico N 2 muestra la distribución de tamaño d e partícula lograda por el nuevo proceso. Además de la captura de SO2 en la contaminación atmosférica, el nuevo proceso es de gran valor en otras industrias, como en el de Recubrimiento de Papel, la fabricación de Carbonato de Calcio Precipitado de calidad superior. En este proceso, la piedra caliza es convertida en Oxido de Calcio, (CaO), por calcinación. Entonces el Óxido de Calcio (CaO) es apagado (mezclándolo con agua) para producir una lechada de Hidróxido de Calcio. Esta lechada es re-convertida en Carbonato de calcio por la reacción del Hidróxido de Calcio con CO2. En este proceso, el tamaño de la partícula de Hidróxido de Calcio y su rango de distribución determinan la calidad del producto final, Carbonato de Calcio Precipitado. Una alternativa al proceso antes mencionado es de proporcionar un estanque con control de temperatura como el mostrado en el Dibujo 3 antes del Molino de Bolas para Apagado y bombear la mezcla de cal y agua por fondo Molino de Bolas de Apagado para su paso a través del molino. Esta alternativa producirá partículas aún más finas debido a que el 100% de la lechada mezclada atraviesa primero la cama entera de bolas por su paso a través del molino. Dibujo N 3
Conclusiones El nuevo proceso puede reducir el tamaño de partículas de la lechada de cal, e incrementar el área superficial de la partícula. Además el rango de tamaño de partículas se reducirá a un rango de banda mucho más estrecho. El Sistema mostrado en los Dibujos N 2 y N 3 pued en ser usados también para moler caliza con algunas modificaciones. Para la caliza, el Molino Apagador es reemplazado con una Máquina de Molienda Especial, el resto del sistema se mantiene igual. Beneficios El nuevo proceso tiene beneficios mayores para los sistemas de FGD en seco y húmedo (Desulfuración de Gases de Combustión), teniendo como resultado beneficios económicos substanciales, tales como: Menor consumo de cal; Debido a la más alta eficiencia de captura de SO2, los nuevos sistemas requieren estanques de almacenaje más pequeños, bombas más pequeñas y reactores más pequeños; Reducción del desgate y el mantenimiento de las bombas, las válvulas, boquillas atomizadoras o boquillas spray, debido al tamaño más fino delas partícula y la menor abrasión; En los existentes FGD, donde se debe mejorar el lavado, o capacidad adicional es necesaria, el sistema existente puede ser mejorado para lograr los resultados necesarios sin tener que instalar un sistema completamente nuevo. Los comentarios antes mencionados se aplican para FGD en seco y Húmedo. Notas ¹ Chemistry and Technology of Lime and Limestone, by Robert S. Boyton, John Worley and Sons, 1980