Mineralización como una solución ambiental Septiembre 2010 1
CONTENIDO 1. Antecedentes. 2. Objetivos. 3. Mineralización. Generalidades del proceso de mineralización. Beneficios potenciales 4. Aplicación industrial. 5. Resultados. Gases Microscopía. Operativos. 6. Riesgos. 7. Conclusiones. 2
1.bp.blogspot.com Mineralización como una solución ambiental Jamaica, Septiembre 2010 3
1. Antecedentes Industria del cemento y lugar de aplicación.
1. Antecedentes Los procesos de mineralización se han estudiado desde los años 70. 5-7% emisiones CO 2. Gran cantidad energía térmica Gran cantidad energía eléctrica Procesos cementeros Son procesos intensivos en capital y manejan economías de escala. Grandes cantidades de material crudo. Grandes cantidades de combustible fósil. Se generan gases de efecto invernadero y gases ácidos. La mineralización del clínker presenta ventajas importantes. www.upload.wikipedia.org 5
1. Antecedentes Sitio de aplicación: Planta de cemento Cairo. Minería subterránea. Proceso húmedo. Equipos. Plan de reducción de emisiones. Impacto social. *Resolución 909 de 2008. MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL 6
2. Objetivo Industria del cemento y lugar de aplicación.
2. Objetivo. El proyecto busca la reducción en la emisión de los gases (SO 2, NO x y CO 2 ) y la reducción de consumo de carbón en el proceso de producción de cemento. 8
3. Mineralización Estabilidad de fases y mineralizadores 9
3. Mineralización 10
Generalidades del proceso de mineralización. Mecanismo: El potencial químico de los reactantes y los productos de formación del C 3 S cambia con la temperatura. La energía libre de Gibbs del C 3 S es mayor que la del CaO y del C 2 S, a temperaturas inferiores a 1250 C. A temperaturas superiores a 1250 C cambia sentido de la reacción química. Energía libre de Gibbs por debajo de 1250 C Figura 1. Tomado de CEMNET Energía libre de Gibbs por debajo de 1250 C Figura 2. Tomado de CEMNET 11
Generalidades del proceso de mineralización. Mecanismo: La presencia de elementos menores, como Na 2 O, K 2 O, SO 3, Al 2 O 3, entre otros, cambian la estabilidad de los compuestos del clínker. El flúor se incorpora en la solución sólida del C 3 S reduciendo su energía libre y la temperatura a la cual se logra la mayor estabilidad del compuesto C 3 S (el flúor mineraliza la formación del C 3 S). Los demás componentes estabilizan el C 2 S. 12
Generalidades del proceso de mineralización. Mecanismo: El flúor tiene la capacidad de expandir el tamaño de la fase primaria de C 3 S, en la zona de composición y formación del cemento Portland. El flúor se integra a la solución sólida del C 3 S. Más cal puede combinarse en el clínker para formar C 3 S. Diagrama de Fase. Cemento Portland Figura 3. Tomado de CEMNET Diagrama de Fase. Efecto del flúor Figura 4. Tomado de CEMNET 13
Generalidades del proceso de mineralización. Mecanismo complementario par fundente mineralizador SO 3 + CaF 2 : SO 3, forma fase líquida a bajas temperaturas facilitando la formación del C 3 S mineralizado a T menores de la fase líquida convencional SO 3 se incorpora en la solución sólida de la belita y estabiliza su forma más reactiva. Supera la acción alcalina. SO 3 +CaF 2, representa una alternativa interesante. SO 3 es un agente que promueve la fase líquida a temperaturas relativamente bajas, comparado con los fundentes convencionales, también reduce la viscosidad de la fase líquida. Se forma C 3 S desde los 1170 C en presencia de SO 3 +CaF 2. Acá se ubica uno de los puntos más importantes en la aplicación específica de la mineralización del clínker con SO 3 +CaF 2, pues considerando la no homogeneidad de la materia prima se puede reducir hasta en 150 C la temperatura de clinkerización. 14
Beneficios potenciales Relativos a ambiental: Reduce hasta un 40% NO x térmico. Reducción en el CO 2 y SO 2 emitido. La energía térmica y las emisiones se diluyen por la adición. Reducción de temperatura entre 100-110 C. De 1450 a 1350. www.horno2cleanip.com.au Relativos a la calidad: Acelera las reacciones de formación de cristales. Estabiliza las formas cristalográficas del clínker mas reactivas. Expansión de la fase primaria del C 3 S Mayor reactividad hidráulica Mayor desarrollo de resistencias (Cristales) Mayor adición 15
Beneficios potenciales Relativos a la operación: Mejora el aprovechamiento de materias primas disponibles (explotación selectiva). Menor requerimiento de combustible. Menor carga térmica sobre el refractario. Aumenta la producción de los hornos. Aumenta la producción de los molinos. Otros: Reducción de temperatura entre 100-110 C. De 1450 a 1350. www.horno2cleanip.com.au www.pillar.com Es posible aumentar las resistencias tempranas, y las resistencias a 28 días. Incremento en las resistencias a la compresión a 2 días (hasta 23 MPa) y a 28 días (hasta 55 MPa) Sería posible reducir el LSF y mantener las resistencias, lo que permitiría una reducción del CO 2 emitido. Menores emisiones y menor costo del cemento. 16
Beneficios potenciales Mineralizadores (fluorita-yeso) Aumenta Reduce Contenido Alita Reactividad Alita Reactividad Belita Temperatura de descarbonatación / Temperatura de clinkerización (menos tph de carbón) Aumenta Reduce Aumenta Resistencias Volumen Gases Aumenta Emisiones CO 2, SO 2 y NO x Tamaño Alita Porosidad Clinker Contenido de sulfato en clinker Reduce Adición Producción del horno Molturabilidad Yeso en cemento Reduce kwh/ton cemento Aumenta Producción del molino 17
Generalidades del proceso de mineralización. Por lo tanto: La mineralización con fluorita promueve la formación de C 3 S a partir de C 2 S y CaO a 1170 C, en la práctica este efecto se ve influenciado por el grado de homogenización del material alimentado. A 1350 C, aproximadamente, se pueden superar los problemas de la carencia en la homogenización. En términos generales se puede lograr una reducción en la temperatura de combinación del C 3 S en cerca de150 C. Se tiene que hacer efectiva la reducción en la temperatura, sino la energía disponible será absorbida por compuestos menores no deseados, incrementado el ciclo de volátiles. El par mineralizador tiene un efecto positivo en la estabilidad de los minerales del clínker, ahorro de combustible y consecuentemente reducción en gases emitidos y rendimiento de equipos. Se reduce los gases de salida del horno Se libera parte de la capacidad del ventilador de tiro Se debe dirigir y apoyar los operadores del horno 18
4. Aplicación Industrial Ensayo industrial en horno. 20
4. Aplicación Industrial. Descripción del proceso en Cairo 21
4. Aplicación Industrial. Características antes de la aplicación: Sistemas disponibles. Se usa mineral con alto contenido de fluorita (superior a 85% CaF 2 ). Se realizaron varios ensayos antes de realizar la aplicación industrial que permitieron mejorar el manejo y la incorporación del mineral de fluorita en las diferentes etapas del proceso a las condiciones buscadas. Definición de protocolo de ensayo. Establecimiento de línea base. Ejecución de ensayo industrial con una duración de hasta dos semanas.. Seguimiento y ajuste de condiciones de proceso. Molienda de cemento. 22
5. Resultados Emisión de gases, microscopía y operativos. 23
5. Resultados. 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 mg/m3 SO 2 0 2 4 6 8 10 12 14 mg/m3 SO2 700 600 500 400 300 200 100 0 mg/m3 NO x 0 2 4 6 8 10 12 14 mg/m3 NOx 24
5. Resultados. Microscopía Óptica: Reducción en tamaños de Alita Aumento en el contenido de Belita Fase líquida sin cambio aparente Sin cambio aparente en la porosidad Aspecto Antes Después Efecto esperado del cambio Alita 50.2 micras 39,9 micras Mas reactiva y mas fácil de moler Porosidad Baja Baja Hay posibilidad de quemar más suave Belita Muy poca Media y bien distribuida Más reactiva y mayor desarrollo de resistencias a partir de 28 días. Ameboide Redondeada y estriada Más reactiva y mayor desarrollo de resistencias a partir de 28 días. 25
5. Resultados. Antes de mineralizar Después de mineralizar 26
5. Resultados. Características antes de la aplicación: Se usa mineral con alto contenido de fluorita (superior a 85% CaF 2 ). Aspecto Teórico Real Adición CaF2 0,30% 0,22% Disminución de consumo calórico 70 kcal/kg cker 35 kcal/kg cker Disminución en el carbón -- 6,14% Disminución de emisiones de NOx 40% 32,8% Disminución de emisiones de CO2 6% 6,1% Disminución de la relación clínker/cemento 4% 3,2% Incremento en la producción de los hornos 6% -- Disminución de emisiones de SO2 -- 62,4% Incremento en la producción de cemento -- -- % $/tonelada de cemento -- - (1.3 a 2.9)% 27
6. Riesgos 28
6. Riesgos Relativos a la calidad: Fraguados largos. Relativos a lo ambiental: La quema fuerte, subutiliza los mineralizadores, Y produce emisiones. Operativos: No reducir la temperatura en la zona de quema provoca: Mayor encostramiento o formación de anillos. Puntos calientes. Volatilización de flúor, SO 3,. 29
7. Conclusiones de la aplicación 30
8. Conclusiones Reducción en emisión de gases: 62,4% en SO 2 y 32,4% en NO x. Reducción en consumo de carbón 6,14%. Reducción del factor clínker cemento: 3 puntos. Disminución en costos de fabricación. Reducción del tamaño del cristal de alita. Posibilidad de reducción de consumo de yeso en la molienda de cementos. Reducción de las inversiones presupuestadas en el plan de acción para la reducción de emisiones. Los resultados permiten alcanzar una solución a una serie de problemas ambientales derivados del alto contenido de pirita en la materia prima, lo que permitiría alargar la vida útil de la mina y la planta, con el beneficio social asociado. 31