AHORRO DE ENERGIA CON FLUORITA EN EL PROCESO DE CLINKERIZACION

Ing. Pedro Oporto; Quim.Oscar Torres;

Quim. Fernando Dominguez Cemento Lima S.A.

RESUMEN El procedimiento laboratorio para obtención de clínker con bajo consumo energético utilizando el mineral fluorita (CaF2), como un componente adicionado al crudo. Donde la función de este mineral es permitir la sinterización de los componentes del crudo a temperaturas menores a las tradicionales. También contribuye a obtener mayores resistencias a la compresión. Se logra tener reacciones de clinkerización 100° C menos a las temperaturas convencionales. INTRODUCCION La industria del cemento se incluye en la denominación de industria básica o pesada, tanto por el volumen de inversión y producción como por su elevado consumo energético para la fabricación. Donde el mayor consumo de energía se encuentra en la fabricación del clínker. Siendo más del 41 % del costo de fabricación. Actualmente se está viviendo una crisis energética, produciéndose aumentos en los combustibles por causas políticas, económicas o puramente comerciales. Todo ello ha creado una gran preocupación en todos los niveles políticos y sociales. Como consecuencia los sectores involucrados deberán centrar sus esfuerzos en el ahorro de energía, principalmente térmica, deberán buscar el reemplazo o reducir el consumo de combustibles existentes para mejorar su competitividad. El empleo de componentes secundarios o adiciones incorporadas al clínker es quizás la forma más eficaz e inmediata de ahorrar energía, y simultáneamente mejorar las cualidades de resistencia a nuestro cemento Pórtland. Este trabajo busca determinar si la fluorita y nuestras materias primas nos permitirán reducir la energía térmica en la producción del clínker favoreciéndonos con menores emisiones de gases de invernadero y mayores resistencias en el cemento.

OBJETIVO Tener resultados preliminares a nivel de laboratorio que nos confirmen si adiciones de fluorita a nuestras materias primas, tienen influencia sobre los procesos de síntesis del clínker y en la resistencia del cemento. Objetivos específicos

− Desarrollar una metodología para la fabricación de clínker a nivel de laboratorio.

− Analizar por medio del ensayo de cal-libre el efecto de clinkerización. − Determinar cual es la dosificación óptima de fluorita en función a la

temperatura de clinkerización y resistencias ala compresión del cemento.

− Confirmar si existen un incremento en la resistencia a la compresión al utilizar fluorita.

− Estimar cuál sería la reducción del costo en la producción a nivel industrial.

FUNDAMENTO TEORICO Clinkerización o proceso de síntesis del clínker La clinkerización es el proceso térmico al que se someten las materias primas para la obtención del clínker. Una primera etapa se produce a temperaturas menores de 1000°C, donde se desarrolla la descarbonatación de la caliza. La segunda que llega a temperatura de hasta 1450°C donde se forma los componentes mineralógicos, entre ellos el silicato tricálcico. La fase liquida de un clínker puede estar constituida entre 20 a 32% y está formada por aluminatos y ferritos y silicatos sinterizados. Esta fase líquida actúa como medio de difusión de los iones facilitando la reacción de los silicatos dicálcicos con el oxido de calcio para producir silicatos tricálcicos. La reacción de los sílicatos tricálcicos en la fase sólida transcurre muy lentamente y se ve enormemente acelerada por la presencia de los fundentes. Una vía para facilitar la fabricación y disminuir costos es utilizar mineralizadores y fundentes, tales como la fluorita, yeso, fosfatos, oxido de magnesio o mezclas de estos materiales etc. Fundentes y Mineralizadores Es conveniente en primer lugar definir la acción de fundente y de un mineralizador, ya que a veces se confunden ambos términos.

Acción del fundente Aquel compuesto que aumenta la velocidad de una reacción sin alterar significativamente el equilibrio termodinámico de dicha reacción. Acción del Mineralizador Un mineralizador es aquel compuesto capaz de promocionar la formación de una fase determinada alterando su estabilidad termodinámica con respecto a otras fases menos favorecidas. Acelera la velocidad de un proceso o reacción tanto en la fase sólida, en fase líquida o en la interfase sólido-líquido. Pueden contribuir a la acción fundente. Su presencia es importante por ahorrar energía en el proceso al reducir la temperatura de aparición de la fase líquida y acelerar el desarrollo de los minerales del clínker. Fluorita como mineralizador (CaF2) Es un mineral cristalino y no metálico que se presenta en la naturaleza en forma de filones, 'capas o bolsadas, conteniendo porcentajes variables de CaF2. Algunas probables ventajas: 1) Fácilmente disponible a bajo costo 2) Se agrega con facilidad al crudo 3) No produce desarreglos en la capacidad del horno. CALOR REQUERIDO EN HORNO INDUSTRIAL Este mineralizador deberá contribuir a reducir el calor de reacción, en las perdidas por radiación y convección. Sin olvidar al consumir menos calor emitimos menos CO2 y se contribuye con el medio ambiente. La tabla siguiente muestra los consumos de calor en el Horno 1.

Consumo de calor en el horno 1 Calor de reacción Kcal/h Kcal/kg %

Vaporización humedad 73.340.738 428.1 50.8

Calor residual en clínker 790.547 4.6 0.5

Perdidas radiación y convección 6-948.308 90.3 4.8

Condiciones operativas y mantenimiento 15.476.106 37.3 10.7

Gases escape 6.394.553 242.5 4.4

Total 41.538.887 843.4 28.7

La energía es el 42% del costo de fabricación y la térmica es el 66% del total de la energía.

DESARROLLO EXPERIMENTAL Se han realizado dos corridas de fabricación de clínker a nivel de laboratorio, utilizando distintas composiciones y calcinando a distintas temperaturas. Para ello fue necesario desarrollar una metodología que nos permita estandarizar nuestro proceso de fabricación a nivel de laboratorio, que nos permita trabajar con lotes de 2 kg de crudo por tanda. Los equipos empleados para este experimento fueron:

• Mezcladora Hobart

• Estufa con corriente de aire

• Mufla de alta temperatura

• Molino de Bond

• Balanza analítica

Se preparan 20 tandas con las siguientes dosificaciones de fluorita a las temperaturas de clinkerización son las que se muestran en la tabla 1:

Tabla No. 1 Dosificación de fluorita en el crudo

0% 0.40% 0.75% 1.0% 1.3% 1250°C 1 5 9 13 17 1300°C 2 6 10 14 18

1350°C 3 7 11 15 19

1400°C 4 8 12 16 20

Las materias primas utilizadas fuero el crudo para la fabricación de cemento Pórtland Tipo I y la fluorita de la compañía minera las Cuevas de México. En la tabla 2 se presenta la composición química de las materias primas: Tabla 2: composición química de las materias primas

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O Sat CaF2

Crudo 12.51 4.18 2.41 42.63 2.24 1.01 0.61 0.22 102.7

Fluorita 9.00 85.00 Resumen de la metodología de fabricación 1. Una muestra de crudo tipo I del proceso de fabricación, es utilizada

como muestra referencial. 2. Se prepara 05 mezclas de crudo con las siguientes concentraciones de

fluorita: 0.0%, 0.4%, 0.75%, 1.0% y 1.3%. 3. Todas las mezclas anteriores se muelen en el molino de bond, hasta

alcanzar 100% pase malla 325. 4. Se prepara una pasta de cada mezcla utilizando 30% de agua destilada

en la mezcladora Hobart y se preparan barras de aproximadamente 10 cm. largo y 1 cm. diámetro. Estas barras son apiladas sobre una plancha de ladrillo refractario en forma entrecruzada y luego son secadas en estufa a 110°C.

5. La calcinación de las composiciones se llevara a cabo en la mufla de alta temperatura con una velocidad de calentamiento aproximadamente de 10°C/minuto. Una vez alcanzado las temperaturas máximas se mantienen por 1 hora a dicha temperatura (ver tabla 1), las muestras serán retiradas de la mufla y enfriadas rápidamente por medio de aire comprimido.

6. Se tritura el clínker y se añade yeso como regulador de fraguado, para obtener un concentración de S03 de 2.8%, luego se muelen hasta obtener una superficie especifica (Blaine) de 4200cm2/g.

7. Las muestras de cemento obtenido serán analizadas por el espectrómetro de rayos X, para determinar la composición química y los compuestos potenciales. También se realizaran ensayos el % de cal libre, Blaine % retenido en malla 325 y la resistencia a la compresión. Todos los ensayos se realizan conforme requerimientos de la norma ASTM C 150

RESULTADOS En las tablas siguientes se muestran los resultados obtenidos de los cementos elaborados en la segunda corrida. Tabla 3: Resultados de ensayos físicos obtenidos a 1250°C

Fluorita

Temp = 1250°C 0.0% 0.4% 0.75% 1.0% 1.3% CaO Libre % 5.53 1.90 1.68 0.44 0.22

M 325 % 3.06 2.07 2.23 3.08 3.54 Blaine cm2/g 3.842 14.079 4.071 3.915 3.799 Fluidez % 109 125 130 127 130

Peso/Litro 564 539 502 552 574

# Revoluciones 1,400 1,700 1,800 1,900 2,100

Resist. 3 d Kg/cm2 211 336 337 357 337 Resist. 7 d Kg/cm2 252 362 413 336 386 Resist. 28 d Kg/cm2

Tabla 4: Resultados de ensayos físicos obtenidos a 1300°C

Fluorita

Temp = 1250°C 0.0% 0.4% 0.75% 1.0% 1.3% CaO Libre % 0.47 0.32 0.32 0.28 0.16

M 325 % 3.30 6.16 8.23 9.72 8.87 Blaine cm2/g 3,689 4,256 4,142 4,182 4,408 Fluidez % 104 100 111 106 110

Peso/Litro 676 817 820 882 767

# Revoluciones 2300 2900 2900 3000

Resist. 3 d Kg/cm2 379 388 399 396 393 Resist. 7 d Kg/cm2 421 467 454 438 459 Resist. 28 d Kg/cm2

Tabla 5: Resultados de ensayos físicos obtenidos a 1350°C

Fluorita

Temp = 1250°C 0.0% 0.4% 0.75% 1.0% 1.3%

CaO Libre % 0.41 0.41 0.32 0.19 0.00

M 325 % 8.41 10.15 6.90 12.82 10.75

Blaine cm2/g 4,404 4,730 4,227 4,614 4,291

Fluidez % 118 105 105 101 86

Peso/Litro 977 940 776 894

# Revoluciones 2,000 3,200 3,150 3,300

Resist. 3 d Kg/cm2 353 399 395 381 380

Resist. 7 d Kg/cm2 418 483 447 446 440

Resist. 28 d Kg/cm2

Tabla 6: Resultados de ensayos físicos obtenidos a 1400°C

Fluorita

Temp = 1250°C 0.0% 0.4% 0.75% 1.0% 1.3%

CaO Libre % 0.51 0.44 0.28 0.22 0.00 M 325 % 5.88 11.33 13.51 13.15 12.16 Blaine cm2/g 4,410 4,360 4,364 4,207 4.208 Fluidez % 122 114 100 94 94

Peso/Litro 1140 1143 1238 1091

# Revoluciones 2,600 3,300 3.350

Resist. 3 d Kg/cm2 345 371 377 360 365 Resist. 7 d Kg/cm2 420 441 409 432 430 Resist. 28 d Kg/cm2

Análisis de resultados Con respecto a los resultados obtenidos en resistencia a la compresión a los 7 días, a 1300°C y 1350°C con una dosificación de 0.40% se observa el incremento más significativo (del orden del 11 al 15%). Los valores de cal libre

obtenidos en todos los cementos en este rango de temperatura presentan valores bastante bajos de cal libre. Consideramos en base a estos ensayos preliminares que lo optimo en la dosificación de fluorita seria del orden del 0.40%.

Tabla 7

Temperatura de Clinkerización Campaña 2

% Fluorita Resistencia 1250°C 1300°C 1350°C 1400°C

0.00% 7 días 252 421 418 420

0.40% 7 días 362 467 483 441

0.75% 7 días 413 454 447 417

1.00% 7 días 336 438 446 432

1.30% 7 días 386 459 440 430

Incremento porcentual en la resistencia a la compresión

% Fluorita Resistencia 1250°C 1300°C 1350°C 1400°C

0.40% 7 días -14% 11% 15% 5%

0.75% 7 días -2% 8% 6% -1%

1.00% 7 días -20% 4% 6% 3%

1.30% 7 días -8% 9% 5% 2%

Cálculos Económicos Considerando que la transmisión de calor en un horno rotatorio entre la llama y la carga de material en la zona de cocción se realiza por RADIACIÓN. Cálculo de transmisión de calor Aplicamos la ecuación de Boltzman para la determinación de transmisión de calor

)(*** 44 TcTfAQ −∂= ε (1) donde: ∂ : Cte. de Boltzman Tf : temperatura de la llama (°K) Te : temperatura de la carga (°K) A : Área de sección transversal llena de material ε

: Emisividad del carbón

Considerando una reducción de 100°C

)(*** 1450 CTTfAQ °−∂=∆ ε (2)

)(*** 1350 CTTfAQ °−∂=∆ ε (3)

)(*** 13501450 CC TTAQ °° −∂=∆ ε (2) – (3) Determinación del Área (A): Se considera que el horno funciona a máxima velocidad, determinamos el GRADO DE LLENADO REAL(φφφφ ) : φφφφ = 3,2 * P / (Di3 * % ν*n) donde: P es producción de K, TN/día Di diámetro interior del horno, m %ν es % inclinación del horno, % n velocidad rotación del horno, rpm reemplazando datos de tabla 8: φφφφ = 12,80% También sabemos que el grado de llenado se puede calcular mediante: φφφφ = F/ f (4) Donde: F = A F = Sección total deI horno reemplazando valores en (4) F = A = 231,6 m2 este dato reemplazando en formula (1)

=∆Q 2012,86 x 10∧∧∧∧4 kcal/h (Ahorro en transmisión de calor) Cálculo de las toneladas de carbón ahorradas por año considerando el PCI del combustible, carbón:

(2012,86 x 10∧4 kcal/h ) * 1 kg Carbón / 7173kcal 2806.16 kg Carbón / h = 2,80 tn Carbón /h Considerando el número de horas efectivas trabajadas por el horno II en el 2003 podemos calcular el ahorro anual en carbón. 2.80 tn Carbón/h x 6195.07 h/año = 17346 tn carbón / año luego el ahorro de carbón seria: (Ahorro anual en carbón) / (Consumo anual de carbón) = 17346/145119

= 11.95% considerando el costo del carbón en planta (incluido los gastos de molienda y costos fijos) 17346 tn Carbón x US $ 87.41/tn Carbón = US$ 1,516,214 Cálculo de los Costos Asumiendo un consumo de 0.40% de fluorita por ton de crudo producido: 0.4 tn FL /tn cdo * 2131497 tn cdo/año = 8526 tn FLUORITA/año Costo de inversión en infraestructura: Costo de infraestructura de tolva metálica ( 2 tolvas ) $ 40,000 costo de balanzas para dosificación de fluorita (3 balanzas) $ 141,000

Costo total infraestructura $ 181,000 costo Fluorita /año = 8526 tn FL * US$ 43 / tn FL = $ 366,618

ahorro total! año: $ 1149,596 Tabla 8 : Datos de Producción año 2003 (respecto al horno II) Crudo Tipo I producido (ton) 2,053,382

Crudo tipo II producido (ton) 78,115

Consumo de carbón (ton) 133,067

Consumo de Bunker (ton) 9,100 Consumo carbón total empleado (incluido Bunker) 145,119

Poder calorífico inferior del carbón (kcal/kg) 7,173

Poder calorífico inferior del Bunker (kcal/kg) 9,500

Nr. De horas paradas del horno II en 2003 2,564.93

Tabla 9 : Resumen de cálculo económico Ahorro energético reducción 100°C 2012,86 x 10∧4 kcal/h Carbón no consumido (ton) 17346

Carbón no consumido (%) 11.95

Consumo de fluorita anual (ton) 8,526

Costo anual de fluorita (US $) 366,618

Costo de inversión en infraestructura (US $) 181,000

Ahorro de combustible anual (US$) 1,149,596

OBSERVACIONES − Con los equipos disponibles no es posible tener información suficiente

para estimar el comportamiento de los procesos y del producto, se sugiere evaluar la adquisición de un difractómetro de RX, un microscopio etc.

− Sobre la evaluación de la mineralogía de los clínker estamos enviando

muestras para determinaciones cualitativas y cuantitativas respectivas. − La metodología de fabricación aplicada, nos ha permitido obtener

resultados con una reproducibilidad aceptable. Se puede mejorar la metodología de enfriamiento cambiando esta etapa de del método.

− Se observó la formación de un material precipitado sobre las resistencias

de la mufla de alta temperatura. Se trató de disolver con ácido, agua y soda, no logrando disolver este material.

− Se ha observado que la granulometría del crudo tiene una gran influencia

en el proceso de clinkerización. Se realizó una corrida con una muestra de crudo de fineza estándar obteniéndose el siguiente resultado:

Crudo sin fluorita a 1350°C %Cal Libre Crudo 100% pasante en M 325 4.76% Crudo estándar de planta 0.41%

− La presente investigación se está realizando con el apoyo de la UNMSM

a través de la facultad de geología quienes realizan los análisis por microscopía electrónica de barrido y difracción de Rayos X.

CONCLUSIONES − La resistencia del cemento fabricado con fluorita en laboratorio se vió

aumentado en un rango de 11 a 15% con respecto al cemento sin fluorita calcinado a la temperatura de 1400°C.

− El crudo con 0.4% de fluorita en el rango de temperatura de 1300°C a

1350°C son las condiciones más convenientes para su implementación industrial. A temperaturas mayores disminuye la resistencia a la compresión.

− Adiciones de Fluorita mayor a 0.40%, no contribuye a un mayor desarrollo

de la resistencia, es mas el efecto benéfico empieza a decrecer. − En el presente trabajo se puede afirmar que a temperaturas mayores a

1300°C, la presencia de cal libre es baja, esto debido ha que la finura del crudo ha facilitado la clinkerización.

− Se logra una disminución en el consumo de combustible de alrededor de

11.95% anual lo que equivale a la fecha a US $ 1,149,596 anuales, con una inversión en infraestructura de US $ 181,000.

− La utilización del mineralizador fluorita al crudo de Atocongo, permitirá

ahorros económicos considerables y debe implementarse su utilización. RECOMENDACIONES PARA LA IMPLEMENTACIÓN EN PLANTA − Se recomienda que en la pruebas industrial realizar un balance térmico

del horno. − Se recomienda tener cuidado en el uso de la fluorita debido a que esta

baja el punto de sinterización del clínker y si no se baja la dosificación de combustible, la fluorita puede desgastar rápidamente el ladrillo refractario del horno.

− Se recomienda que la dosificación de fluorita sea lo mas estable posible.

Inicialmente instalar tolvas para su dosificación y carguío con Bot cat. − Adquirir equipos de control como difractómetro de Rayos X, microscopio

electrónico, balanzas y tolvas de dosificación. − Evaluar probable desgaste de los elementos metálicos. − Se deberá evaluar la durabilidad del cemento producido con adición de

fluorita frente ataque por sulfatos y frente a la capacidad protectora a las armadoras de acero.

BIBLlOGRAFIA 1. Estudio y optimización de formulaciones para clínker con diferentes

aportaciones de fluorita en materias primas de Lima-Perú... Cemex Enero 2003

2. El espato flúor y la industria del cemento......Mariano Col! Casas, Revista Cemento Hormigón N° 552 Noviembre 1979.

3. Composición Químico Mineralógica de las materias primas y ahorro de energía en al industria del cemento... Francisco Soria; Expominer-82 España.

4. Influencia del fluoruro de calcio sobre los procesos de síntesis y actividad del cemento.....Dr. A.N. Luguin, Instituto químico -Tecnológico de Kazagia, 1989

5. Procesos y operación de los sistemas de hornos ASOCEM 2002 FLSMIDTH INSTITUTE