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Jueves, 09 Agosto 2018 10:03

Las mejores técnicas disponibles en la industria del cemento

Fábrica de Cemento Fábrica de Cemento

La decisión sobre qué técnicas deben aplicarse en cada instalación industrial para alcanzar un elevado grado de protección ambiental, tal y como está previsto en la Directiva IPPC, está muy condicionada por aspectos locales propios de cada fábrica, por lo que la información suministrada en este capítulo no puede ser considerada aplicable a todas y cada una de las instalaciones de fabricación, ni en lo que se refiere a la posibilidad práctica de aplicar las técnicas, ni en los niveles de emisión asociados.

4.1. Consideraciones previas
El comportamiento ambiental de una fábrica de cemento está ligado a los siguientes factores:

- Las características y composición de las materias primas empleadas
- la vía de fabricación empleada para la producción de clínker
- el diseño, equipamiento y operación de las instalaciones

La decisión sobre qué técnicas deben aplicarse en cada instalación industrial para alcanzar un elevado grado de protección ambiental, tal y como está previsto en la Directiva IPPC, está muy condicionada por aspectos locales propios de cada fábrica, por lo que la información suministrada en este capítulo no puede ser considerada aplicable a todas y cada una de las instalaciones de fabricación, ni en lo que se refiere a la posibilidad práctica de aplicar las técnicas, ni en los niveles de emisión asociados.

El presente capítulo es una síntesis de la información disponible sobre las Mejores Técnicas Disponibles en el sector español de fabricación de cemento. Para su determinación el esquema seguido ha sido realizar un análisis de las diferentes técnicas que pueden tener un efecto de reducción de las emisiones que se producen durante la fabricación del cemento, en concreto, de los niveles de reducción esperados con la aplicación de la técnica, la aplicabilidad real de la misma y los costes de inversión y operación, así como los inconvenientes encontrados durante el funcionamiento a escala industrial.

La aplicación de técnicas, el consumo de energía, y los niveles de emisión presentados en este capítulo han sido evaluados a través de un proceso iterativo que implica los siguientes pasos:

• identificación de los aspectos medioambientales significativos en el sector del cemento, que son las emisiones a la atmósfera de:

- Óxidos de nitrógeno (NOx)
- Dióxido de azufre (SO2)
- Partículas (polvo).

• examen de las técnicas para actuar sobre estos temas clave, incluyendo costes, consumos de energía e impactos sobre el medio ambiente asociados

• identificación de los mejores niveles de funcionamiento medioambientales, sobre la base de la información disponible en la Unión Europea y en todo el mundo, y estudio de las condiciones bajo las cuales se lograron estos niveles de funcionamiento

• selección de las mejores técnicas disponibles (MTD) y el empleo de la energía asociada y niveles de emisión para este sector en un sentido general completamente de acuerdo con el Anexo IV de la Directiva IPPC

En este capítulo se presentan las técnicas que se pueden considerar como apropiadas para el sector en su conjunto. En muchos casos son de aplicación corriente en instalaciones dentro del sector, en otros tienen relativamente pocos ejemplos de aplicación industrial.

Los niveles de emisión "asociados con las mejores técnicas disponibles" deben entenderse como niveles de emisión esperables y apropiados en la industria cementera en su conjunto, con las limitaciones expresadas en párrafos anteriores, y en el horizonte temporal de la Directiva IPPC. No son en ningún caso valores límite de emisión y no pueden asimilarse a tales. La decisión sobre qué límites de emisión se aplican a cada instalación es responsabilidad de la autoridad medioambiental competente que, además de las técnicas consideradas como MTDs, tendrá en cuenta aspectos tales como:

  •  Tipología de la instalación (posibilidad de aplicar las técnicas, vida útil, etc)
  •  Condiciones medioambientales locales y regionales (disponibilidad de recursos hídricos, presencia de fenómenos de acidificación y eutrofización, etc)
  • Condiciones de cumplimiento de los valores límite de emisión (elaboración de medias, criterios estadísticos de cumplimiento de límites, etc)

En la aplicación práctica de las técnicas, algunas instalaciones pueden estar incluso por debajo de los valores de referencia asociados a las técnicas, fruto de una condiciones especialmente favorables; mientras que otras instalaciones pueden emitir más de los valores asociados, sin por ello provocar perjuicio a la calidad del medio ambiente.

Las instalaciones nuevas podrán en la mayoría de los casos tener niveles de emisión del orden de los menores descritos en el presente capítulo; mientras que algunas instalaciones existentes nunca podrán alcanzarlos.

Se debe tener en cuenta que el coste de aplicación de una técnica depende fuertemente de la situación concreta de cada instalación, variabilidad que no es posible tener en cuenta en este documento. Cuando no se disponen de datos de costes, las conclusiones sobre la viabilidad económica de las técnicas se deducen de las observaciones de las instalaciones existentes.

Los documentos BREF son fruto del intercambio de información previsto en la IPPC, pero no tienen en ningún caso valor legal. No obstante, son una herramienta aplicable como guía para la industria y la administración ambiental competente en la planificación industrial y medioambiental.

Los niveles de emisión que se indican en los siguientes apartados se expresan como valores medios diarios, en condiciones normales (273 K, 101,3 kPa), gas seco, y 10% de oxígeno en gases provenientes de procesos de combustión.

4.2. MTD de carácter general

Proceso de fabricación de clínker
El proceso empleado para la fabricación de clínker tiene un efecto considerable sobre el comportamiento ambiental de la instalación. La vía de fabricación (seca, semiseca, semihúmeda, y húmeda) que se utiliza en los hornos existentes es función del desarrollo tecnológico en el momento de su instalación, y de las características de la materia prima disponible.

Para hornos nuevos, y salvo condiciones de la materia prima desfavorables por su alta humedad, se considera que la fabricación de clínker debe realizarse en vía seca, con intercambiador de calor multi-etapas de ciclones y precalcinación.

El consumo energético de un horno de estas características se sitúa entre 2900 y 3200 MJ/tonelada de clínker.

Medidas primarias generales
Las mejores técnicas disponibles para la fabricación de cemento incluyen las medidas primarias generales siguientes:

• Un proceso estable y uniforme, con funcionamiento próximo a los puntos de consigna de los parámetros del proceso, es beneficioso para todas las emisiones del horno así como para el consumo energético. Esto se puede obtener aplicando:

- Optimización del control de proceso, incluyendo sistemas de control automático (sistemas expertos, etc)
- El empleo de sistemas gravimétricos de alimentación de combustibles sólidos

• Reducción del consumo de combustibles mediante:

- Intercambiadores de calor y precalcinación, en la medida de lo posible en función de la configuración del sistema de horno
- Enfriadores de clínker de mayor eficiencia para una máxima recuperación energética
- Aprovechamiento del calor residual de los gases, en operaciones de secado de materiales u otros usos (p.e., calefacción en instalaciones ubicadas en zonas frías)

• Reducción del consumo de energía eléctrica mediante:

- Sistemas de gestión de la energía
- Equipos de molienda y otros equipos de accionamiento eléctrico de alta eficiencia energética

• Control de las sustancias que entran en el proceso y que, en función de dónde entren y cómo se procesen, pueden tener un efecto directo o indirecto sobre las emisiones del horno (azufre y compuestos orgánicos volátiles en la materia prima, metales pesados, compuestos de cloro).

• Reducción del consumo de recursos. El máximo aprovechamiento de los materiales que se emplean en la fabricación del cemento reduce el consumo total de materias primas. Por ejemplo, el polvo captado en el filtro del horno de clínker puede ser reintroducido al proceso. El empleo de residuos aptos para sustituir a las materias primas reduce el consumo de recursos naturales, pero es conveniente hacerlo siempre con un control adecuado de las sustancias que se introducen en el horno.

• Reducción del ratio clínker cemento. Una técnica para reducir el consumo de energía y las emisiones de la industria del cemento, expresada por unidad de cemento producido, es la reducción del contenido de clínker. Todo lo que suponga reducir la proporción de clínker, para cuya elaboración es preciso sinterizar materiales a temperaturas en torno a los 1.450 ºC en un horno rotativo, constituye una reducción de las emisiones totales por unidad de cemento elaborado.

4.2.1. Optimización del control de proceso
La optimización del proceso de clinkerización mediante la estabilización de los parámetros del proceso se hace normalmente para reducir el consumo específico de combustible, para aumentar la calidad del clínker y para incrementar el tiempo de vida de los equipos (el revestimiento refractario, por ejemplo).

La reducción de emisiones tales como partículas, NOx y SO2 son un efecto secundario consecuencia de esta optimización. Es beneficioso para la marcha del horno, y por tanto para las emisiones, el funcionamiento suave y estable del horno, con los parámetros del proceso próximos a los valores de diseño. La optimización incluye medidas como la homogeneización de las materias primas, la seguridad de la dosificación uniforme de carbón y la optimización del funcionamiento del enfriador. Para asegurar que la velocidad de alimentación del combustible sólido es uniforme, con mínimas puntas, es esencial tener buenos diseños de tolvas, cintas transportadoras y alimentadores, así como un sistema moderno de alimentación gravimétrica de combustible sólido.

La reducción en la formación del NOx tiene lugar por la reducción de temperatura de llama y por la disminución en el consumo de combustible, así como por la formación de zonas de atmósfera reductora en el horno. El control del contenido de oxígeno es crítico para el control del NOx. Generalmente cuanto menor contenido de oxígeno en el extremo final de un horno, menos NOx se produce. Sin embargo, éste tiene que ser equilibrado contra los aumentos de CO y SO2 que se producen cuando los porcentajes de oxígeno bajan. [Nota IPC Reino Unido, 1996]. Aplicando técnicas de optimización del control del proceso se han documentado reducciones de NOx de hasta un 30% [Cembureau en 1997]. No obstante, la experiencia de aplicación de sistemas de optimización de proceso indica que la reducción de las emisiones de NOx tiene valores más modestos y no resulta cuantificable a priori, por depender de las emisiones de partida y otros muchos factores.

La reducción de las emisiones de SO2 es originada por la disminución de su volatilidad a menores temperaturas de llama y de combustión, y por la atmósfera oxidante en el horno, junto con un funcionamiento estable del mismo. El efecto positivo del control del proceso sobre las emisiones de SO2 es marginal para hornos con precalentadores aunque es considerable para hornos largos (vía seca y húmeda), en los que se han documentado reducciones en las emisiones de SO2 de hasta un 50% [Cembureau report, 1997].

En hornos con precipitadores electrostáticos, la anulación de los desajustes del horno y los disparos por CO reducen las emisiones de partículas. Los modernos sistemas, con equipos de control y mediciones más rápidas, permiten criterios de desconexión más elevados que los normalmente aplicados de 0,5% de CO en volumen, y con eso se reduce el número de disparos por CO.

La optimización del funcionamiento del horno se puede aplicar a todos los tipos de hornos e incluye muchos factores, desde la formación de los operadores del horno hasta la instalación de nuevos equipos, como sistemas de dosificación, silos de homogeneización, lechos de premezcla o modificaciones del enfriador de clínker. El coste de estas medidas, por tanto, es muy variable, oscilando entre 0 y 5 millones de euros. [Cembureau, 1997]. La efectividad de estas medidas es también muy variable en función de cada instalación, de los niveles de partida de las emisiones, y de otros muchos factores.

Varios suministradores de equipos para la industria del cemento han desarrollado sistemas expertos de control basados generalmente en el control de la combustión tomando como referencia los niveles de NOx (Nota IPC Reino Unido, 1996). La inversión requerida para un sistema computerizado del control de alto nivel es de 300.000 € aproximadamente, pudiendo ser necesaria una inversión adicional para instalar los sistemas requeridos de dosificación y medición en la planta [Cembureau, 1997].

4.3. MTDs para el control de los óxidos de nitrógeno

4.3.1. MTDs y valores de emisión asociados
Las mejores técnicas disponibles para la reducción de las emisiones de NOx son la combinación de las medidas primarias generales anteriormente expuestas y las siguientes técnicas, que se describen una a una más adelante:

  • Quemador de bajo NOx.
  • Combustión por etapas.
  • Reducción no-catalítica selectiva (SNCR).

El uso conjunto de la combustión por etapas y la reducción no-catalítica selectiva está en fase de desarrollo (ver apartado 6.1.3).

Algunos hornos modernos vía seca con intercambiador de ciclones y precalcinación han alcanzado niveles de emisión por debajo de 500 mg/Nm3 (expresados como NO2); en algunos casos utilizando únicamente medidas primarias, y en otros casos utilizando además la combustión por etapas. Las características de la materia prima (dificultad de cocción) y el diseño del horno pueden hacer inviable alcanzar dichos valores.

La mayor parte de los hornos que utilizan SNCR mantienen sus emisiones entre 500 y 800 mg/Nm3. Algunas instalaciones han alcanzado valores de emisión por debajo de los 200 mg/Nm3, aunque la experiencia acumulada en estos casos es todavía insuficiente. En concreto, se dispone únicamente de datos correspondientes a dos fábricas, con periodos de utilización industrial relativamente cortos. Una de las cuestiones que más preocupan en la aplicación de SNCR es la posible fuga de amoníaco, tanto en las operaciones de transporte y almacenamiento como en forma de emisiones durante su empleo como reductor.

Para aplicar la técnica SNCR en un horno de clínker, debe tenerse acceso a una ventana de temperaturas de en torno a los 900 ºC. Esto es relativamente fácil en hornos vía seca con cuatro o más etapas de intercambiadores, mientras que resulta imposible en hornos vía semi o vía húmeda.

La aplicación de la técnica de combustión por etapas requiere que el horno disponga de un precalcinador con un diseño que permita largos tiempos de residencia.

En cuanto a la instalación de quemadores de bajo NOx, los resultados suelen ser satisfactorios, aunque en algunos casos no se ha observado reducción alguna en las emisiones de NOx.

En relación con los niveles asociados a las técnicas mencionadas, pueden realizarse las siguientes consideraciones:

- Los hornos de nueva construcción en vía seca y con precalcinador con sistema de combustión por etapas podrían alcanzar valores de emisión de NOx inferiores a los 500 mg/Nm3.
- Los hornos de vía seca con precalcinador que no dispongan de sistemas de combustión por etapas se situarán normalmente en el rango 500-800 mg/Nm3
- Los hornos de vía seca sin precalcinador que apliquen las medidas primarias descritas anteriormente deberían normalmente obtener valores de emisión por debajo de 1.200 mg/Nm3. Para reducir la emisión de NOx en hornos de vía seca con intercambiador de 4 etapas se ha aplicado la inyección de amoniaco en 20 hornos europeos (15 en Alemania, 2 en Suecia y 1 en Suiza), obteniéndose de esta manera valores inferiores a 800 mg/Nm3, valores que requieren como contrapartida el transporte y manipulación de compuestos amoniacales, además de la emisión a la atmósfera de la parte de amoniaco que no haya reaccionado con el NOx.
- Para hornos vía seca de menos de cuatro etapas, vía semi y vía húmeda no existen medidas secundarias que se hayan mostrado efectivas; los valores alcanzables por éstos son los resultantes de la combinación de técnicas primarias.

Como ya se ha mencionado en anteriores ocasiones, los rangos descritos son de tipo general, y habrá casos en los que las emisiones de una instalación se sitúen incluso por debajo del rango esperable para su tecnología, y otros en los que las características de las materias primas o del proceso darán lugar a valores de emisión superiores a los rangos descritos (p.e. hornos de clínker blanco-ver capítulo 3.3.1). En este sentido, es conveniente destacar que los rangos de emisión habituales en instalaciones nuevas de clínker gris (entre 500 y 800 mg/Nm3) son, en general, menores que los de las instalaciones existentes (entre 800 y 1.200 mg/Nm3).

4.3.2. Información sobre el quemador de bajo NOx
Los quemadores de bajo NOx varían en detalle, pero esencialmente el combustible y el aire se inyectan en el interior del horno por medio de tubos concéntricos. La proporción de aire primario se reduce a un 6- 10% de lo que se requiere para la combustión estequiométrica, normalmente en torno a un 13% en quemadores de combustión indirecta (World Cement, abril 1990) o un 20-25% en los tradicionales de combustión directa. El aire axial se inyecta con un elevado momento en el canal exterior.

El carbón se puede insuflar a través de la tubería central o el canal medio. Se emplea un tercer canal para el aire en torbellino, que se inyecta por álabes a la salida de la tobera.

El efecto neto del diseño de este quemador es producir una ignición muy rápida, especialmente de los compuestos volátiles del combustible, en una atmósfera en defecto de oxígeno, lo que tenderá a reducir la formación de NOx.

Aunque su instalación no siempre trae ligada una reducción de las emisiones de NOx, se han conseguido reducciones de hasta un 30% de estas emisiones (Int. Cem. Rev., Octubre 1997) en los hornos en los que más éxito han tenido este tipo de quemadores, si bien no es usual que se supere el 10% de reducción.

Estos quemadores de bajo NOx se pueden aplicar a todos los hornos rotativos, habiéndose conseguido niveles de emisión de 600 - 1.000 mg/Nm3 (Informe Dutch, 1997).

El coste de inversión para un quemador de bajo NOx es aproximadamente de 150.000 a 350.000 € para una capacidad de horno de 3.000 toneladas de clínker/día. (Informe Cembureau, 1997) (Informe Dutch, 1997). Si los sistemas de combustión existentes son directos se debe cambiar a un sistema indirecto de combustión para permitir que ésta se efectúe con un bajo flujo de aire primario, lo que significará un coste de inversión de cerca de 600.000 a 800.000 € para una capacidad de horno de 3.000 toneladas de clínker/día [Informe Cembureau, 1997]. En España la totalidad de hornos existentes utilizan sistemas indirectos de alimentación de combustible.

4.3.3. Información sobre la combustión por etapas
Esta técnica consiste básicamente en escalonar la combustión en varias fases, introduciendo el combustible por varios puntos, realizándose principalmente en precalcinadores especialmente diseñados. La primera etapa de combustión tiene lugar en el quemador principal del horno. La segunda etapa de combustión consiste en un quemador en la entrada del horno, que produce una atmósfera reductora que descompone una parte de los óxidos de nitrógeno generados en la zona de sinterización.

La elevada temperatura en esta zona es particularmente favorable para la reacción que reconvierte los NOx en nitrógeno elemental. En la tercera etapa de la combustión el combustible se alimenta dentro del calcinador con una cantidad de aire terciario, produciendo allí una atmósfera reductora, también. Este sistema reduce la generación de NOx del combustible, y también disminuye los NOx que salen del horno. En la cuarta y etapa final de la combustión, el aire terciario sobrante se alimenta dentro del sistema como "aire de remate" para la completar la combustión. [Informe Dutch, 1997].

El principio de esta técnica, descrito anteriormente, es el mismo en el que se basa la reducción de NOx observada en los hornos que introducen combustibles no pulverizados, por ejemplo neumáticos troceados, en la zona de la entrada del horno.

Los calcinadores actualmente en uso difieren unos de otros esencialmente en la ubicación de la entrada del combustible, la manera en la que se distribuye el combustible, la alimentación del horno y el aire terciario, y en su configuración geométrica. [Informe Dutch, 1997].

La tecnología de la combustión por etapas puede emplearse sólo en hornos equipados con precalcinador. Se precisan modificaciones sustanciales en las plantas con sistemas de precalentadores ciclónicos sin precalcinadores.

Algunas plantas modernas con buena optimización logran niveles de emisión por debajo de 500 mg NOx/Nm3 con combustión por etapas.

Si el proceso de combustión no se completa en el precalcinador, pueden incrementarse las emisiones de CO y SO2 [Informe Cembureau, 1997] habiéndose detectado problemas con el CO y los atascos cuando se pretenden elevadas eficacias [Cembureau]. A pesar de que se garantizan reducciones en las emisiones de NOx de hasta un 50%, es muy difícil llegar a esos valores manteniendo los niveles de emisión del CO. [ZKG 10/1996]

El coste de inversión para instalar una combustión por etapas en un horno con precalcinador es de 0,1-2 millones de euros, dependiendo del diseño del calcinador existente (Cembureau). El coste de inversión para un precalcinador y el conducto terciario para 3.000 toneladas/día de un horno con precalentador con enfriador de parrilla en un horno con precalcinador es alrededor de 1 a 4 millones de euros. [Informe Cembureau, 1997]

El coste de inversión para transformar un horno de 3000 t/día con precalentador y enfriador de satélites en un horno con precalcinador y con enfriador de parrilla es de unos 15-20 M. €.

4.3.4. Información sobre la reducción no catalítica selectiva
La SNCR consiste en la inyección de compuestos NH2-X (comúnmente agua amoniacal con un 25% NH3, también amoníaco gas, soluciones de urea, nitrocal, cianamidas, biosólidos u otras sustancias similares) en el gas de salida para reducir el NOx a N2. La reacción tiene un punto óptimo en una ventana de temperaturas de 800 a 1.000 ºC, debiéndose proporcionar un tiempo suficiente de retención para que los agentes inyectados reaccionen con el NOx. El acceso a la ventana de temperatura correcta es fácil de conseguir en hornos con precalentador y hornos con precalcinador. Sin embargo, no ocurre lo mismo en los hornos Lepol, y de hecho no existe ninguna instalación a escala industrial de SNCR en este tipo de hornos. En hornos largos de vías seca y húmeda es imposible acceder a la temperatura correcta con el necesario tiempo de retención, por lo que esta técnica no es de aplicación en los mismos.

Es importante mantener el rango de temperaturas mencionado anteriormente. Si la temperatura cae por debajo de este nivel se emite amoníaco sin reaccionar, y a temperaturas significativamente elevadas el amoníaco se oxida a NOx, con lo que las emisiones del gas que se pretende eliminar en lugar de reducirse, se incrementan. También puede ocurrir que se produzcan escapes de NH3 a elevadas relaciones molares de NH3/NO2. Estas emisiones de NH3 sin reaccionar han tenido lugar en otros sectores industriales, en forma de aerosoles de cloruros y sulfatos amónicos, los cuales no son captados en los filtros, llegando a ser visibles como una columna blanca sobre la chimenea.

Es preciso señalar que esta técnica trata de limitar las emisiones de unos contaminantes, los NOx, utilizando un agente reductor, el amoniaco, sensiblemente más peligroso en caso de emisiones a la atmósfera que los contaminantes que trata de eliminar.

La aplicación de esta técnica también puede originar emisiones de monóxido de carbono y óxido nitroso (N2O) [World Cement, marzo 1992].

El amoníaco que no ha reaccionado se puede oxidar y transformarse en NOx en la atmósfera. Los escapes de NH3 pueden enriquecer en amoniaco el polvo que posteriormente se capta en el electrofiltro, inhabilitándolo para ser recirculado al molino de cemento, con lo que se genera un residuo que precisa un tratamiento específico [Cembureau]. Se requiere calor adicional para evaporar el agua de la solución amoniacal, lo que causa un pequeño incremento de las emisiones de dióxido de carbono.

Es un peligro potencial para el medio ambiente el transporte, almacenado y manipulación de amoníaco, por lo que se requieren medidas adicionales de seguridad. [Cembureau,1997].

Hay 18 instalaciones SNCR a escala real en funcionamiento en países de EU y EFTA. En la mayoría de ellas se diseñaron y funcionan con valores de reducción de NOx del 10 al 50% (con relaciones molares NH3/NO2 de 0,5-0,9) y niveles de emisión de 500-800 mg NOx/Nm3, que es suficiente para cumplir con la legislación vigente en algunos países. De estas 18 instalaciones hay tan solo dos que alcanzan niveles de reducción en las emisiones de NOx del 80%.

La eficacia de la reducción de NOx aumenta con la relación molar NH3/NO2. Sin embargo, el valor de la reducción de NOx no se puede aumentar simplemente a voluntad, puesto que una dosificación más alta tiene más probabilidades de causar escapes de NH3.

Para un horno con precalentador de 3.000 toneladas/día con una emisión inicial de NOx de hasta 2.000 mg/Nm3 y con reducción de NOx hasta del 65% (es decir, 700 mg NOx/Nm3) el coste de inversión para SNCR empleando agua amoniacal como agente reductor es de 0,5-1,5 M. €. El coste está muy influenciado por las regulaciones de seguridad sobre el almacenamiento de agua amoniacal.

El coste operativo para el mismo horno es 0,3-0,5 €/t de clínker, estando principalmente determinado por el coste del amoníaco inyectado. [Informe Cembureau, 1997].

4.4. MTDs para el control de los óxidos de azufre

4.4.1. MTDs y valores de emisión asociados
Las mejores técnicas disponibles para la reducción de las emisiones de SOx son la combinación de las medidas primarias generales anteriormente descritas, y la adición de absorbente en hornos vía seca.

El nivel de emisión MTD asociado con el empleo de estas técnicas está en el rango 200-400 mg/Nm3; expresado como dióxido de azufre, para hornos vía seca gris.

4.4.2. Información sobre la adición de absorbente
En los casos en los que las medidas primarias descritas anteriormente no sean suficientes, pueden adoptarse medidas adicionales al final del proceso en el caso que la especial situación del entorno de la fábrica justifique las grandes inversiones que hay que realizar para la instalación y mantenimiento de estos dispositivos.

La adición de absorbentes tales como cal apagada (Ca(OH)2), cal viva (CaO) o cenizas volantes activadas con alto contenido de CaO al gas de salida del horno es una técnica para absorber parte del SO2. La inyección del absorbente se puede aplicar en vías secas o húmedas. [Dutch, 1997]. Para hornos con precalentador se ha encontrado que la inyección directa de cal apagada en el gas de salida es menos eficiente que la adición de cal apagada al crudo entrante en el precalentador. El SO2 reaccionará con la cal para dar CaSO3 y CaSO4, que entran al horno junto con las materias primas y se incorporan al clínker [Dutch, 1997] [Cembureau, 1997].

Esta técnica es capaz de limpiar las corrientes de gas con concentraciones moderadas de dióxido de azufre y se puede aplicar a temperaturas de más de 400 ºC. Los valores de reducción más altos se pueden lograr a temperaturas que excedan los 600 ºC. Es recomendable emplear un absorbente basado en cal apagada con una superficie específica alta y elevada porosidad. [Dutch, 1997]. La cal apagada no tiene reactividad alta, por consiguiente tiene que aplicarse elevadas relaciones molares Ca(OH)2/SO2, entre 3 y 6. [Cembureau, 1997]. Las corrientes de gas con concentraciones altas de dióxido de azufre requieren de 6 a 7 veces las cantidades estequiométricas de absorbente, implicando altos costes de explotación. [Dutch, 1997]

Se pueden lograr reducciones de dióxido de azufre de 60 a 80% por inyección de absorbente en hornos con precalentador en suspensión.

Lo normal en hornos de clínker gris es que los niveles iniciales no superen los 1200 mg/m3. Para éstos, la adición de absorbente reduciría las emisiones a niveles de alrededor de los 400 mg/m3. Si por el contrario los niveles iniciales son superiores a los 1200 mg/m3 la adición en los hornos de absorbentes, como por ejemplo cal apagada, no resulta económicamente viable. [Dutch report, 1997]

La adición de absorbente es en principio aplicable a todos los hornos [Dutch, 1997], aunque es empleada mayormente en los de vía seca con precalentadores de suspensión.

Tan solo hay un horno largo de vía húmeda que inyecta bicarbonato sódico seco al gas de salida antes del EP para reducir las emisiones punta de dióxido de azufre [Marchal]. La adición de cal en la alimentación del horno reduce la calidad de los gránulos/ nódulos y causa problemas de flujo en los hornos Lepol.

La adición de absorbente se emplea en algunas plantas para asegurar que no se exceden los límites normales en situaciones punta. Significa esto que en general no es de funcionamiento continuo, sino sólo cuando lo requieran las circunstancias específicas [Dutch, 1997]. Con una concentración inicial de dióxido de azufre de hasta 3.000 mg/Nm3, una reducción de hasta el 65% y un coste de cal apagada de 85 €/t, el coste de inversión de un horno con precalentador de 3.000 t clínker/día es de alrededor de 0,2-0,3 M. € y los costes de explotación sobre 0,1-0,4 €/t clínker. [Cembureau, 1997]

4.5. MTDs para el control de las partículas

4.5.1. MTDs y valores de emisión asociados
Las mejores técnicas aplicables para la reducción de las emisiones de partículas son la combinación de las medidas primarias generales descritas anteriormente y:

• Reducción de las emisiones dispersas mediante la aplicación de las técnicas descritas en el punto 4.5.2.
• Reducción de las emisiones de partículas por chimeneas mediante la instalación de:

- Filtros electrostáticos, con sistemas de medición de CO que minimicen el número de disparos.
- Filtros de mangas multicámara y sistemas de detección de rotura de las mangas.

El nivel de emisión MTD asociado con los filtros es:
- 30-50 mg/Nm3 para hornos y enfriadores,
- 10-30 mg/Nm3 para otras instalaciones de desempolvamiento.

4.5.2. Información sobre el control de las emisiones de fuentes dispersas
Las principales fuentes dispersas de emisión se generan en el almacenamiento y la manipulación de las materias primas, los combustibles y el clínker, y por el tráfico de vehículos por la fábrica. Con una disposición simple y lineal de la planta se minimizan las posibles fuentes de emisiones. Un mantenimiento completo y apropiado de la instalación tiene siempre el resultado indirecto de la reducción de las emisiones dispersas por la reducción de las fugas de aire y puntos de derrame. El empleo de dispositivos y sistemas de control automáticos también ayudan a la reducción de las emisiones dispersas. [Cembureau, 1997].

Algunas técnicas para la disminución de las emisiones dispersas son:

• Protección contra el viento en las pilas a la intemperie. Cuando existen almacenamientos de materiales a la intemperie es posible reducir las emisiones dispersas empleando barreras contra el viento diseñadas para ese fin.

• Pulverizado de agua y supresores químicos de polvo. Cuando el punto de origen del polvo está bien localizado se puede instalar un sistema de inyección de agua pulverizada. La humidificación de las partículas de polvo ayuda a la aglomeración de éste y se produce un asentamiento del mismo. Se utilizan también una amplia variedad de agentes químicos para proporcionar una eficacia total al pulverizado de agua.

• Pavimentación, limpieza y regado de viales. Las áreas utilizadas por los camiones deben pavimentarse y mantenerse limpias en la medida en que sea posible. El regado de las carreteras reduce las emisiones de polvo, especialmente durante el tiempo seco. La adopción de buenas prácticas de orden y limpieza también reduce las emisiones de polvo.

• Aspiración fija y móvil. Durante las operaciones de mantenimiento o en caso de problemas con los sistemas de transporte, pueden tener lugar derrames de materiales. Para prevenir la formación de emisiones de polvo durante las operaciones de limpieza se pueden emplear sistemas de aspiración. Los nuevos edificios se pueden equipar fácilmente con sistemas de limpieza por aspiración fijos, mientras que los edificios existentes se equipan mejor con sistemas de limpieza móviles dotados de conexiones flexibles.

• Ventilación y recogida en los filtros de mangas. Siempre que sea posible, los materiales que precisen manipulación deben ser transportados a través de sistemas cerrados mantenidos en depresión. El aire de aspiración de este sistema tiene que ser posteriormente depurado en un filtro de mangas antes de ser emitido a la atmósfera.

• Almacenamiento cerrado con sistema de manipulación automático. Los silos de clínker y los almacenamientos cerrados con manipulación automática se consideran la solución más efectiva para el problema de las emisiones de polvo generadas por los acopios de gran volumen. Estos almacenamientos están equipados con filtros de mangas para prevenir la formación de polvo durante las operaciones de carga y descarga.

4.5.3. Información sobre el control de las emisiones de fuentes puntuales
Hay tres principales fuentes puntuales de emisiones de polvo en las plantas de cemento. Estas son los hornos, los enfriadores de clínker y los molinos de cemento.

Las emisiones en estos tres tipos de focos se combaten con la instalación de precipitadores electrostáticos (EPs) o filtros de mangas.

En cuanto a las fuentes dispersas, en una fábrica de cemento pueden producirse dondequiera que tenga lugar un proceso de manipulación y trasiego de material a granel.

El machaqueo y molienda de materias primas y combustibles son también operaciones a considerar.

La tabla 4.3 muestra una vista general de los datos disponibles. La tabla es un resumen y debería leerse conjuntamente con los correspondientes puntos que siguen.

Tabla 4.3: Vista general de las técnicas para el control del polvo

Técnica Aplicabilidad 1 Emisiones
mg/Nm3
Coste 2
Inversión
Coste
Operativo
Efectos 3 adicionales
Precipitador electrostático -Todos los hornos
-Enfriadores clínker
-Molinos cemento
<50
<50
<50
2,1-4,6
0,8-1,2
0,8-1,2
0,1-0,2
0,09-0,18
0,09-0,18
Metales
Filtros de mangas -Todos los hornos
-Enfriadores clínker
-Molinos cemento
<50
<50
<50
2,1-4,3
1,0-1,4
0,3-0,5
0,15-0,35
0,1-0,15
0,03-0,04
Metales


1) para hornos referido a medias diarias, gas seco, 273 K, 101,3kPa y 10% de oxígeno.
2) coste de inversión en M.euro y coste de explotación en euros por tonelada de clínker para reducir las emisiones hasta <50 mg/Nm3, referido normalmente a una capacidad de horno de 3.000 toneladas de clínker por día y emisión inicial de hasta 500 g de polvo /Nm3.
3) Efectos adicionales sobre otras emisiones.

Los EPs y los filtros de mangas tienen sus ventajas y sus desventajas. Ambos tipos tienen una muy alta eficacia de desempolvado durante el funcionamiento normal.

Algunos filtros nuevos adecuadamente dimensionados y mantenidos, y en condiciones de funcionamiento óptimas han alcanzado valores de emisión de entre 5 y 20 mg/Nm3. En condiciones especiales tales como una concentración alta de CO, el arranque del horno, la entrada en funcionamiento del molino de crudo, o su parada, la eficacia de los EPs puede estar reducida significativamente mientras que no se afecta la eficacia de los filtros de mangas. Por consiguiente los filtros de mangas tienen una mayor eficacia total si están bien mantenidos y las mangas filtrantes se sustituyen periódicamente. Una desventaja de los filtros de mangas es que las mangas filtrantes usadas son residuos y tienen que adaptarse a las regulaciones nacionales. [Cembureau, 1997]

En los últimos años se han desarrollado los denominados filtros híbridos, consistentes en la combinación de ambos sistemas. Los gases pasan primero por una cámara electrostática, donde se realiza un desempolvamiento parcial, para pasar posteriormente a la cámara de mangas. Este sistema pretende aunar las ventajas de ambos sistemas y compensar sus desventajas.

4.5.3.1. Precipitadores electrostáticos
Estos precipitadores generan un campo electrostático a lo largo del camino de las partículas en la corriente de aire. Las partículas se cargan negativamente y emigran hacia las placas colectoras cargadas positivamente. Las placas colectoras se someten a golpeteo o vibración periódica para su limpieza, descargando el material que cae en tolvas colectoras situadas por debajo. Es importante que los ciclos de limpieza del EP sean optimizados para minimizar las macropartículas reentrantes y así limitar al máximo la visibilidad del penacho emitido. Los EPs se caracterizan por su facultad para funcionar bajo condiciones de altas temperaturas (hasta aproximadamente 400 ºC) y elevada humedad.

Los factores que afectan a la eficacia de este tipo de precipitadores son la velocidad del gas, la intensidad del campo eléctrico, la velocidad de carga de las micropartículas, la concentración del dióxido de azufre, el contenido de humedad y la forma y área de los electrodos.

El funcionamiento puede verse perjudicado por las acumulaciones del material que puede formar una capa aislante sobre las placas colectoras, reduciendo así la intensidad del campo eléctrico [Dutch, 1997]. Esto se puede originar si hay entradas altas de cloruros y azufre en el horno, formando cloruros y sulfatos metálicos alcalinos.

Los cloruros de metales alcalinos forman un polvo muy fino (0,1-1 µm) y tienen una resistividad específica alta (entre 1012 -1013 _cm) formando capas aislantes sobre los electrodos y dificultando la eliminación del polvo. Se ha observado y estudiado esto particularmente en la industria del hierro y del acero. Se pueden resolver los problemas de resistencias elevadas en el polvo con inyección de agua en las torres de acondicionamiento [Karlsruhe II, 1996].

Para el funcionamiento eficaz de los precipitadores electrostáticos, es importante evitar los disparos de CO. Ver la sección 4.2.1 Optimización del control del proceso.

El coste de inversión para un nuevo EP para un horno con una capacidad de 3.000 t clínker/día, con una carga inicial de partículas de hasta 500 g/m3 y un contenido de polvo en el gas limpio <50 mg/Nm3 es de alrededor de 1,5-3,8 millones de euros, y un extra de 0,6-0,8 millones de euros para la torre de acondicionamiento y el ventilador del filtro si se requiriese. El coste de explotación asociado es alrededor de 0,1-0,2 €/t clínker.

Para un enfriador de clínker de una capacidad de horno de 3.000 t clínker/día, carga inicial de partículas de hasta 20 g/m3 y contenido de polvo del gas limpio <50 mg/Nm3 y molino de bolas para cemento con una capacidad de 160 t cemento/hora, con un nivel inicial de hasta 300 g/m3 y contenido de polvo en el gas limpio <50 mg/Nm3, el coste de inversión es de cerca de 0,8-1,2 millones de euros y el coste de explotación de 0,09-0,18 €/t clínker [Cembureau, 1997].

4.5.3.2. Filtros de mangas
El principio básico de los filtros de mangas es emplear una membrana de tejido que es permeable al gas pero que retendrá el polvo. El gas a tratar fluye normalmente desde el exterior de la manga hacia el interior. Puesto que la torta de polvo aumenta de espesor, la resistencia al flujo de gas se incrementa. Por consiguiente, es necesario realizar períodos de limpieza del medio filtrante para controlar la caída de presión de gas a lo largo del filtro. Los métodos más comunes de limpieza incluyen el flujo de gas inverso, agitación mecánica, vibración e impulsión con aire comprimido.

El filtro de mangas puede tener múltiples compartimentos que se aíslan individualmente en caso de la rotura de alguna manga. El dimensionamiento del filtro debe ser suficiente para permitir el funcionamiento correcto del filtro en caso de que un compartimento quede fuera de servicio. La instalación de "detectores de mangas rotas" en cada compartimento permite conocer las necesidades de mantenimiento.

El empleo de filtros de mangas con gases a temperaturas altas exige el montaje de tejidos más resistentes que los normalmente suministrados, y por tanto con un coste superior.

La inversión que se requiere para instalar un filtro de mangas nuevo en un horno de una capacidad de 3.000 t clínker/día, con un nivel de emisión inicial de hasta 500 g/m3 y contenido de polvo en el gas limpio <50 mg/Nm3 es de cerca de 1,5-3,5 M. €, y un extra de 0,6-0,8 millones más de euros para la torre de acondicionamiento y el ventilador del filtro. Las torres de acondicionamiento son necesarias sólo para aplicaciones a bajas temperaturas con mangas, por ejemplo, de poliacrilnitrilo. El coste de explotación para el mismo filtro de mangas del horno es de alrededor de 0,15-0,35 €/t de clínker.

La inversión que se requiere para instalar un filtro de mangas con sistema de limpieza por impulsos de aire en un enfriador de parrilla de clínker para una capacidad de horno de 3.000 t/día, con un nivel inicial de emisión de hasta 20 g/m3 y contenido de polvo en el gas limpio <50 mg/Nm3 es de alrededor de 1,0-1,4 M. € (incluidos el intercambiador de calor por aire y el ventilador del filtro) y el coste de explotación es de cerca de 0,10-0,15 €/t clínker.

Para un molino de cemento de bolas con una capacidad de 160 toneladas de cemento/hora, con niveles iniciales de emisión de 300 g/m3 y con contenidos en polvo en el gas limpio <50 mg/Nm3, el coste de inversión de un filtro de mangas con sistema de limpieza por impulsos de aire es de alrededor de 0,3-0,5 millones de euros incluyendo el ventilador del filtro, y el coste de explotación de 0,03-0,04 €/t clínker [Cembureau, 1997].

Información adicional

  • Fuente:: ConcretOnline
  • Autor:: ConcretOnline
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