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La Mineralización como una solución ambiental.1

Mineralización como una solución ambientalSeptiembre 2010


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.


Mineralización como una solución ambientalJamaica, Septiembre 2010

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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 CO2.•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.

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Sitio de aplicación:

• Planta de cemento Cairo.• Minería subterránea.• Proceso húmedo.• Equipos. • Plan de reducción de emisiones.• Impacto social.

1. Antecedentes

*Resolución 909 de 2008. MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL

2. Objetivo

Industria del cemento y lugar de aplicación.


El proyecto busca la reducción en la emisión de los gases (SO2, NOx y CO2) y la reducción de consumo de carbón en el proceso de producción de cemento.

2. Objetivo.

3. Mineralización

Estabilidad de fases y mineralizadores



3. Mineralización


Mecanismo:El potencial químico de los reactantes y los productos de formación del C3S cambia con la temperatura.

La energía libre de Gibbs del C3S es mayor que la del CaO y del C2S, 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°CFigura 1. Tomado de CEMNET

Generalidades del proceso de mineralización.

Energía libre de Gibbs por debajo de 1250°CFigura 2. Tomado de CEMNET


Mecanismo:

La presencia de elementos menores, como Na2O, K2O, SO3, Al2O3, entre otros, cambian la estabilidad de los compuestos del clínker.

El flúor se incorpora en la solución sólida del C3S reduciendo su energía libre y la temperatura a la cual se logra la mayor estabilidad del compuesto C3S (el flúor mineraliza la formación del C3S). Los demás componentes estabilizan el C2S.



Mecanismo:

El flúor tiene la capacidad de expandir el tamaño de la fase primaria de C3S, en la zona de composición y formación del cemento Portland. El flúor se integra a la solución sólida del C3S. Más cal puede combinarse en el clínker para formar C3S.

Diagrama de Fase. Efecto del flúorFigura 4. Tomado de CEMNET


Diagrama de Fase. Cemento PortlandFigura 3. Tomado de CEMNET


Mecanismo complementario par fundente mineralizador SO3 + CaF2:

SO3, forma fase líquida a bajas temperaturas facilitando la formación del C3S mineralizado a T menores de la fase líquida convencional

SO3 se incorpora en la solución sólida de la belita y estabiliza su forma más reactiva. Supera la acción alcalina.

SO3+CaF2, representa una alternativa interesante.

SO3 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 C3S desde los 1170°C en presencia de SO3+CaF2.

Acá se ubica uno de los puntos más importantes en la aplicación específica de la mineralización del clínker con SO3+CaF2, pues considerando la no homogeneidad de la materia prima se puede reducir hasta en 150°C la temperatura de clinkerización.



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 C3S•Mayor reactividad hidráulica•Mayor desarrollo de resistencias (Cristales)•Mayor adición

Relativos a ambiental:

•Reduce hasta un 40% NOx térmico.•Reducción en el CO2 y SO2 emitido.•La energía térmica y las emisiones se diluyen por la adición.

Beneficios potenciales

Reducción de temperatura entre 100-110°C. De 1450 a 1350.www.horno2cleanip.com.au



Reducción de temperatura entre 100-110°C. De 1450 a 1350.www.horno2cleanip.com.au

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.

www.pillar.com

Otros:

•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 CO2 emitido.•Menores emisiones y menor costo del cemento.


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

Emisiones CO2, SO2 y

NOx

Tamaño Alita Porosidad Clinker

Contenido de sulfato en

clinkerAumenta Reduce

Adición Producción del horno Molturabilidad Yeso en

cemento

Reduce Aumenta

kWh/ton cemento

Producción del molino



Por lo tanto:La mineralización con fluorita promueve la formación de C3S a partir de C2S 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 C3S 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


4. Aplicación Industrial

Ensayo industrial en horno.



Descripción del proceso en Cairo

4. Aplicación Industrial.


Características antes de la aplicación:Sistemas disponibles.

Se usa mineral con alto contenido de fluorita (superior a 85% CaF2).

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.

4. Aplicación Industrial.

5. Resultados

Emisión de gases, microscopía y operativos.



0500

100015002000250030003500

0 2 4 6 8 10 12 14

mg/m3 SO2

mg/m3 SO2

0100200300400500600700

0 2 4 6 8 10 12 14

mg/m3 NOx

mg/m3 NOx

5. Resultados.


Aspecto Antes Después Efecto esperado del cambioAlita 50.2 micras 39,9 micras Mas reactiva y mas fácil de molerPorosidad Baja Baja Hay posibilidad de quemar más suaveBelita 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.

Microscopía Óptica:

Reducción en tamaños de Alita

Aumento en el contenido de Belita

Fase líquida sin cambio aparente

Sin cambio aparente en la porosidad

5. Resultados.


Antes de mineralizar

Después de mineralizar

5. Resultados.


Características antes de la aplicación:Se usa mineral con alto contenido de fluorita (superior a 85% CaF2).

Aspecto Teórico Real

Adición CaF2 0,30% 0,22%Disminución de consumo calórico 70 kcal/kg cker 35 kcal/kg ckerDisminución 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)%

5. Resultados.

6. Riesgos



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, SO3,.

7. Conclusiones de la aplicación



8. Conclusiones

Reducción en emisión de gases: 62,4% en SO2 y 32,4% en NOx. 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.

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