ES3014775T3

ES3014775T3 - Method for calcining mineral rock in a vertical right furnace with regenerative parallel flow and furnace used

Info

Publication number: ES3014775T3
Application number: ES23218123T
Authority: ES
Inventors: Ziad Habib; Cantfort Olivier Van; Tristan Cloarec
Original assignee: Lhoist Recherche et Développement SA
Current assignee: Lhoist Recherche et Développement SA
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2025-04-24
Anticipated expiration: 2041-06-28
Also published as: EP4175920A1; US12344556B2; EP4175920B1; PT4324799T; PL4175920T3; HRP20240989T1; EP4324800A3; FI4324799T3; EP4324799A3; EP4282842A3; SI4324799T1; EP4324799A2; BR112022025510A2; HUE070711T2; JP2023533226A; RS66619B1; FI4175920T3; PL4324799T3; ES2983795T3; US20230227353A1

Abstract

La presente invención se refiere a un método de calcinación de roca mineral en un horno regenerativo de flujo paralelo vertical recto que comprende una retirada de una parte del efluente gaseoso descargado del tanque en modo de precalentamiento (2) del horno en un circuito de recirculación (18), una formación de una mezcla oxidante mediante mezcla de esta parte retirada del efluente gaseoso con dioxígeno concentrado, procedente de una fuente de dioxígeno (20), y una introducción de esta mezcla oxidante en la parte superior del tanque en modo de cocción (1) de manera que se asegure dicha combustión del combustible en presencia de oxígeno, estando el efluente gaseoso descargado del horno concentrado en CO2. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento de calcinación de roca mineral en un horno recto vertical de flujo paralelo regenerativo y horno empleado

La presente invención se refiere a un procedimiento de calcinación de roca mineral carbonatada en un horno recto vertical de flujo paralelo regenerativo, así como al horno empleado.

El horno recto vertical de flujo paralelo regenerativo u horno de cal regenerativo conocido como "PFRK"(Parallel Flow Regenerative Kiln)tiene una eficiencia energética del 85 % al 90 %; la más alta del sector de la cal, o incluso todo del sector industrial de gran consumo energético: cemento, acero, vidrios... El 60 % de la cal en Europa se produce en este tipo de horno. Esta proporción aumentará en Europa y en todo el mundo, teniendo en cuenta las hojas de ruta para la transición energética y ecológica.

El horno "PFRK" es un horno recto con cubas verticales dobles donde el combustible se inyecta alternativamente en una cuba y luego en otra durante aproximadamente 10 a 15 min con un período de parada entre ciclos de aproximadamente 1 min a 2 min para invertir los circuitos de aire y de combustible. Se trata del período de "inversión". Las dos cubas están conectadas por un conducto de humos de conexión. Cuando una cuba se encuentra en combustión (modo cocción), los humos de combustión calientes pasan por el conducto de humos de conexión (canal de transferencia de gas) y ceden una parte de su calor a la roca mineral a calcinar para precalentarla en la otra cuba que se denomina como modo regeneración o precalentamiento. Las cubas del horno PFRK son cilíndricas o rectangulares. En algunos casos, hay tres cubas, dos para el precalentamiento y una para la cocción. Los problemas y las soluciones que se indican a continuación son válidos para todas las geometrías de horno PFRK.

El procedimiento implementado en estos hornos conocidos comprende, en régimen de producción,

- una carga de roca mineral carbonatada en la parte superior del horno,

- un precalentamiento de esta roca,

- una cocción de esta roca con su descarbonatación en materia calcinada,

- un enfriamiento de la materia calcinada mediante aire de enfriamiento, y

- una descarga de la materia calcinada en el fondo de las cubas,

- cada cuba funcionando alternativamente en modo cocción y en modo precalentamiento, estando una cuba en modo cocción durante un período de tiempo predeterminado mientras que al menos otra cuba está en modo precalentamiento, y viceversa,

- comprendiendo el modo cocción:

dicha carga de roca mineral carbonatada en la parte superior de la cuba en modo cocción,

en presencia de dicha roca mineral carbonatada, precalentada, durante un descenso en esta cuba, una combustión de combustible en presencia de oxígeno para obtener dicha cocción de esta roca y su descarbonatación en materia calcinada con emisión de humos de combustión en forma de una corriente gaseosa que desciende en corriente paralela en la cuba en modo cocción, y

un paso de dicha corriente gaseosa que contiene estos humos de combustión de la cuba en modo cocción hacia dicha al menos una cuba en modo precalentamiento a través de dicho canal de transferencia de gas,

- comprendiendo el modo precalentamiento:

dicho precalentamiento de la roca mineral carbonatada cargada mediante intercambio de calor con la corriente gaseosa que contiene los humos de combustión, procedentes del canal de transferencia de gas, que está ascendiendo en dicha al menos una cuba en modo precalentamiento, en contracorriente de dicha roca mineral carbonatada cargada, y

una evacuación fuera del horno de un efluente gaseoso a base de la corriente gaseosa que contiene los humos de combustión, en la parte superior de dicha al menos una cuba en modo precalentamiento.

Por roca mineral carbonatada, en el sentido de la presente invención, se entiende en particular roca calcárea, roca dolomítica y/o magnesita que se calcinan respectivamente a cal viva, dolomita viva y/o magnesia. La ecuación de calcinación de piedra caliza a cal es la siguiente:

CaCO<3>(sólido) calor <— > CaO (sólido)+ CO<2>(gas)

Se trata de una reacción endotérmica reversible y la cal se recombina con el CO<2>a la primera oportunidad por debajo de 900 °C, con un equilibrio y una cinética más o menos rápida en función de la temperatura y de la concentración ambiente de CO<2>.

Durante este procedimiento, por tanto, la roca calcárea o dolomítica de partida libera un gran volumen de CO<2>durante su calcinación a cal o dolomita. De manera adicional, para realizar esta calcinación, es necesario alcanzar temperaturas elevadas y, por tanto, proceder a la combustión de combustibles, lo que, a su vez, provoca una liberación significativa de CO<2>. En general, los procedimientos de calcinación tienen el inconveniente de contribuir activamente al aumento del efecto invernadero.

Este procedimiento de calcinación muy común tiene también el inconveniente de proporcionar una combustión de combustible con aire y el enfriamiento del producto calcinado con aire. Esto da como resultado una liberación en la parte superior del horno de un efluente gaseoso que tiene un nivel elevado de nitrógeno diatómico y un nivel comparativamente bajo de CO<2>(concentración en volumen del orden de 20 % a 27 % en gas seco), cuya captura es costosa debido a la alta presencia de dinitrógeno del aire utilizado.

Para capturar este CO<2>los presentes inventores consideran el uso del procedimiento de reducción con disolventes químicos denominado "aminas", que es la técnica más extendida y aplicada a los humos de horno al final de la línea, después del filtro de eliminación de polvo. No obstante, el carácter cíclico del horno PFRK con una parada del horno durante 1 min a 2 min cada 10 min a 15 min es incompatible con esta técnica, que además es muy cara y utiliza un disolvente que no es sostenible desde el punto de vista de la legislación medioambiental.

Para poder capturar el CO<2>emitido en un horno PFRK, ya se ha propuesto reemplazar, en el procedimiento implementado, todo el aire del procedimiento, el aire de combustión que transporta el combustible sólido y el aire de enfriamiento, mediante los humos de combustión reciclados e introducir oxígeno puro en la cuba en modo cocción (véase el documento CN105000811). Para cualquier experto en la materia, queda claro que este procedimiento es inviable, puesto que la cal se recarbonatará durante el enfriamiento. Como se ha observado anteriormente, el CO<2>no puede recircularse para enfriar la cal, puesto que se recombinará inmediatamente con este CO<2>para reformar CaCO<3>. Por otra parte, el uso de oxígeno puro en la parte superior del horno plantearía graves problemas en términos de compatibilidad de materiales y este aporte no constituirá un flujo másico suficiente para recuperar eficazmente el calor acumulado en la zona de regeneración. Las desventajas y problemas de viabilidad de este procedimiento ya han sido analizados en la solicitud de patente US2020/0048146.

También hay que tener en cuenta que el aire de enfriamiento en el horno PFRK, a diferencia del horno rotatorio, por ejemplo, no tiene ningún impacto directo sobre la combustión y el desarrollo de la calcinación en la cuba en modo cocción. No tiene ningún efecto esperado sobre la calidad del producto.

Por régimen de producción, debe entenderse que el horno está en su servicio normal durante el cual produce de manera continua materia calcinada. Por tanto, este régimen no afecta a las fases de puesta en marcha del horno, parada del mismo o mantenimiento en caso de funcionamiento incorrecto.

La presente invención tiene como objetivo remediar al menos parcialmente el problema de las importantes emisiones de CO<2>a la atmósfera de hornos de tipo PFRK, sin modificar su funcionamiento cíclico y con poca o ninguna modificación en su estructura. Por tanto, también tiene como objetivo permitir una captura de CO<2>presente en los efluentes gaseosos emitidos por el horno.

Para resolver este problema, se ha previsto, según la invención, un procedimiento de calcinación de roca mineral en un horno recto vertical de flujo paralelo regenerativo como se indica al principio, comprendiendo este procedimiento además

- una muestra de una parte del efluente gaseoso evacuado fuera del horno,

- una formación de una mezcla de comburente mezclando esta parte extraída del efluente gaseoso evacuado fuera del horno con dioxígeno concentrado, y

- una introducción de esta mezcla de comburente en la parte superior de la cuba en modo cocción para asegurar dicha combustión de combustible en presencia de oxígeno,

siendo el efluente gaseoso evacuado fuera del horno concentrado en CO<2>.

La combustión del combustible en dioxígeno concentrado provocaría temperaturas de llama demasiado elevadas para los equipos habituales de hornos. También, está previsto según la invención extraer una parte del efluente gaseoso rico en CO<2>y mezclarlo con dioxígeno. En lugar de un comburente habitual formado a partir de la mezcla O<2>+ N<2>del aire, se obtiene de este modo una mezcla O<2>+ CO<2>a la temperatura de llama adecuada.

La combustión del combustible en dioxígeno da lugar a la corriente gaseosa que contiene los humos de combustión y a la calcinación de la roca carbonatada. Esto tiene el efecto de producir principalmente CO<2>junto con algunas impurezas, presentes en forma de trazas en el combustible y en la materia a calcinar, y un poco de oxígeno no consumido por la combustión del combustible. Naturalmente, estos humos de combustión contienen igualmente CO<2>introducido en la mezcla de comburente. De ello se desprende evidentemente, en comparación con el procedimiento convencional, un aumento drástico en el contenido de CO<2>del efluente gaseoso liberado en la parte superior del horno. Por efluente gaseoso concentrado en CO<2>, debe entenderse según la invención que tiene un contenido de CO<2>de al menos 60 %, en concreto al menos 80 % y, de manera especialmente ventajosa, al menos 90 % en volumen sobre gas seco. Este CO<2>de este modo puede utilizarse o secuestrarse en condiciones favorables, lo que permite reducir radicalmente la contribución al efecto invernadero del horno.

La implementación de este procedimiento no requiere necesariamente ninguna disposición particular del propio horno. Las únicas modificaciones a realizar en el mismo pueden ser simplemente externas al horno y consistir en cambiar los circuitos de efluentes que salen del horno y proporcionar al menos una fuente de dioxígeno concentrado.

Por dioxígeno concentrado (también denominado oxígeno en lo sucesivo), según la invención, esto significa un gas cuyo contenido de oxígeno supera el 50 % en volumen. Preferiblemente será igual o superior al 90 %, en particular al 93 %, ventajosamente del 98 al 100 % en volumen. La fuente de dioxígeno concentrado puede, por ejemplo, ser una unidad de separación de aire que separa el aire en dioxígeno y dinitrógeno y que funciona en paralelo con el horno, o incluso una cuba de dioxígeno instalada al lado del horno. De manera ventajosa, la combustión de combustible se produce en presencia de un exceso de oxígeno, preferiblemente del orden del 5 al 50 %, en particular de 10 a 30 %, ventajosamente de 15 a 25 % en volumen con respecto a los requisitos estequiométricos de la combustión.

Por combustible, se entiende, según la invención, cualquier combustible sólido, líquido o gaseoso, por ejemplo, gas natural, hidrógeno, biogás, gasolina, aceites, carbón o coque en polvo, biomasa sólida, como aserrín, combustible sólido de recuperación, como plásticos, papel, cartones, etc. Ventajosamente, en el caso de un combustible sólido, su introducción en la cuba en modo cocción se realiza en una forma granular o pulverulenta utilizando una porción de dicha parte extraída del efluente gaseoso evacuado fuera del horno, como gas portador. También es posible proporcionar, como gas portador, CO<2>procedente de cualquier otra fuente.

Según un modo de realización de la invención, el enfriamiento de la materia calcinada comprende, en la parte inferior de cada una de las cubas, un suministro de aire de enfriamiento que atraviesa en contracorriente la materia calcinada descendente y se calienta tras su entrada en contacto, mezclándose el aire de enfriamiento calentado, en la cuba en modo cocción, con la corriente de gas que contiene los humos de combustión, antes de su paso por el canal de transferencia de gas, y, en dicha al menos una cuba en modo precalentamiento, con esta corriente gaseosa después de este paso, evacuándose el efluente gaseoso concentrado en CO<2>fuera del horno que contiene los humos de combustión y el aire de enfriamiento. En este caso, sólo el aire de combustión del procedimiento convencional es sustituido por la mezcla de comburente a base del efluente gaseoso concentrado en CO<2>, evacuado fuera del horno y de oxígeno. Un procedimiento de este tipo permite aumentar el contenido de CO<2>del efluente gaseoso evacuado fuera del horno PFRK convencional del 20 al 27 % en volumen sobre gas seco hasta un valor de al menos 35 %, ventajosamente al menos 45 %, e incluso hasta un 65 % en volumen sobre gas seco en un horno según la invención. Para la ilustración, un horno PFRK que implemente este procedimiento puede reemplazar ventajosamente al horno de coque utilizado actualmente en las fábricas de sosa, para proporcionar humos al 40 % en volumen de CO<2>. Por otro lado, el PFRK es un horno "sostenible", energéticamente eficiente y, sobre todo, elimina todos los problemas medioambientales relacionados con los hornos de coque, incluyendo elevadas emisiones de contaminantes (CO, NH<3>, H<2>S...).

Según un modo realización particular de la invención, el aire de enfriamiento se suministra al horno en un volumen total equivalente o inferior a un mínimo termodinámico necesario para enfriar la materia calcinada a una temperatura de referencia de 100 °C. Ventajosamente, el volumen total de aire de enfriamiento suministrado al horno puede ser del orden de 40 a 60 % de dicho mínimo termodinámico, preferiblemente igual al 50 % del mismo. En este caso, el producto descargado tendrá una temperatura superior a la del funcionamiento normal. Entonces será necesario adaptar los equipos de descarga utilizando materiales resistentes a esta temperatura.

También se puede prever ventajosamente que dicho enfriamiento de la materia calcinada comprenda, en la parte inferior de la cuba única en modo cocción, un suministro de aire de enfriamiento que atraviesa en contracorriente la materia calcinada descendente y se calienta tras su entrada en contacto, mezclándose el aire de enfriamiento con la corriente gaseosa que contiene los humos de combustión, antes de su paso por el canal de transferencia de gas, y el efluente gaseoso concentrado en CO2 que es evacuado fuera del horno que contiene los humos de combustión y el aire de enfriamiento. En este caso también, el aire de enfriamiento se puede suministrar al horno en un volumen total inferior a un mínimo termodinámico necesario para enfriar la materia calcinada a una temperatura de referencia de 100 °C. Ventajosamente, el volumen total de aire de enfriamiento suministrado al horno puede ser así del orden de 40 a 60 % de dicho mínimo termodinámico, preferiblemente igual al 50 % del mismo.

Según un modo particularmente ventajoso de la invención, dicho enfriamiento de la materia calcinada comprende, en la parte inferior de cada una de las cubas o en la parte inferior de la cuba única en modo cocción, un suministro de aire de enfriamiento que atraviesa en contracorriente la materia calcinada descendente y se calienta tras su entrada en contacto, el procedimiento comprende además una extracción del aire de enfriamiento calentado fuera del horno, el efluente gaseoso evacuado fuera del horno que contiene un contenido de CO<2>al menos del 90 % en volumen sobre gas seco, preferiblemente al menos 95 %. En este caso, el efluente gaseoso evacuado fuera del horno está formado casi exclusivamente por humos de combustión. Es posible utilizar dicho gas en industrias especializadas o secuestrarlo.

Según un modo particular de la invención, el procedimiento comprende además un intercambio de calor entre el aire de enfriamiento calentado, extraído fuera del horno, y dicha parte extraída del efluente gaseoso evacuado fuera del horno, antes o después de su mezcla con oxígeno concentrado. Esto permite recuperar el calor de la mezcla de comburente que se introduce en la cuba en modo cocción.

Otros detalles y particularidades del procedimiento según la invención se indican en las reivindicaciones adjuntas.

La presente invención se refiere igualmente a un horno recto vertical de flujo paralelo regenerativo, de tipo PFRK.

Tal horno comprende

- al menos dos cubas interconectadas por un canal de transferencia de gas, comprendiendo cada una de dichas cubas, en posición de servicio o fuera de servicio,

- al menos un dispositivo de alimentación de combustible,

- al menos una abertura de suministro de comburente que contiene oxígeno para la combustión del combustible, - una entrada para la carga de una roca mineral carbonatada, en la parte superior de las cubas,

- una salida para la descarga de materia calcinada producida, en la parte inferior de las cubas,

- un conducto de evacuación de efluente gaseoso en la parte superior de las cubas, que está conectado a una chimenea, y

- un suministro de aire de enfriamiento para enfriar la materia calcinada producida,

comprendiendo el horno un sistema de inversión del funcionamiento de las cubas, dispuesto para que cada cuba funcione, en régimen de producción, alternativamente en modo cocción y en modo precalentamiento, estando una cuba en modo cocción durante un período de tiempo predeterminado mientras que al menos otra cuba está en modo precalentamiento y viceversa, controlando este sistema de inversión a tal efecto dichas posiciones de servicio y fuera de servicio.

Según la invención, el horno comprende además

- un circuito de recirculación que está dispuesto entre el mencionado conducto de evacuación de efluente gaseoso de las cubas y dichas aberturas de suministro de comburente de las cubas y en donde el dicho sistema de inversión controla una muestra de al menos una parte del efluente gaseoso procedente de una cuba en modo precalentamiento, y

- una fuente de dioxígeno concentrado que se comunica con el circuito de recirculación para alimentar con dioxígeno concentrado y formar de este modo una mezcla de comburente, siendo dicha abertura de suministro de comburente de la cuba en modo cocción llevada a la posición en servicio por dicho sistema de inversión para garantizar la combustión del combustible.

Como se ha explicado anteriormente, el horno PFRK tiene un funcionamiento cíclico, cada cuba funcionando durante un período de tiempo predeterminado en modo cocción, después, tras un tiempo de inversión de 1 a 2 minutos, en modo precalentamiento y así sucesivamente. Durante el tiempo de inversión, el sistema de inversión controla de forma sincrónica todos los cambios necesarios para pasar de un modo al otro, por ejemplo, abriendo las lanzas del dispositivo de alimentación de combustible en la cuba cuando está en modo cocción y cerrándolas cuando pasa al modo precalentamiento. Por tanto, el sistema de inversión no sólo controla numerosas compuertas y válvulas, sino también el funcionamiento de los equipos de carga y de descarga o incluso el de diversos elementos de aspiración, de bombeo o de inyección.

Como puede observarse, el horno según la invención sólo presenta unas pocas modificaciones estructurales realizadas en el exterior del horno. Por tanto, los hornos existentes pueden adaptarse con facilidad para implementar un procedimiento de calcinación según la invención.

Según la invención, las cubas tienen sección circular, dicho canal de transferencia de gas es un conducto de humos de conexión que conecta los canales periféricos dispuestos alrededor de cada cuba para permitir una transferencia de gas y, por debajo del conducto de humos de conexión, las cubas están provistas de un anillo colector que se comunica con un elemento de extracción para permitir una extracción del aire de enfriamiento calentado fuera del horno, incluyendo las cubas circulares además ventajosamente, en el fondo de la cuba, un elemento colector central que se comunica con un elemento de extracción para permitir una extracción del aire de enfriamiento calentado fuera del horno, por debajo del conducto de humos de conexión; o bien las cubas tienen sección rectangular, con un primer lado de una cuba orientado hacia un primer lado de la otra cuba vecina e incluyendo cada cuba un segundo lado que está en el extremo opuesto a los orientados entre sí, siendo el canal de transferencia de gas un conducto de humos de conexión que conecta directamente una cuba con la otra por sus primeros lados, y, por debajo del conducto de humos de conexión, dichos primeros lados y dichos segundos lados de las cubas están provistos cada uno de un túnel colector que se comunica con un elemento de extracción para permitir una extracción del aire de enfriamiento calentado fuera del horno.

Según una forma de realización de la invención, el horno incluye, como fuente de dioxígeno para el circuito de recirculación, una unidad de separación de aire capaz de separar el aire en dioxígeno y dinitrógeno. También puede estar provisto de un tanque de oxígeno. Ventajosamente, un intercambiador de calor alimentado con aire de enfriamiento calentado, extraído del horno, está montado en el circuito de recirculación para calentar la mezcla de comburente antes mencionada antes de su suministro a la cuba en modo cocción.

Otros detalles y particularidades del horno según la invención se indican en las reivindicaciones adjuntas.

Otras particularidades de la invención surgirán también de la descripción que se da a continuación, a modo no limitativo y con referencia a los dibujos adjuntos.

La figura 1 representa de manera esquemática un horno PFRK convencional.

Las figuras 2a y 2b representan una modelización numérica de la concentración en % másico de oxígeno de las corrientes gaseosas en un horno PFRK de sección circular convencional y en un horno PFRK de sección rectangular convencional.

Las figuras 3 y 4 ilustran de manera esquemática varias formas de realización de un horno de sección circular según la invención.

La figura 5 es una representación fragmentada de una forma realización de un horno de sección rectangular según la invención.

En las figuras, los elementos idénticos o similares llevan las mismas referencias. Convencionalmente, la cuba que se ilustra a la izquierda está en modo cocción y la cuba que se ilustra a la derecha está en modo precalentamiento. Para evitar saturar los dibujos con elementos convencionales, como, por ejemplo, equipos de carga o descarga, no están representados o lo están de forma muy esquemática.

Como se puede ver en la figura 1, el horno PFRK ilustrado es un horno recto de doble cuba 1,2 donde el combustible se inyecta alternativamente en una cuba 1 y luego en otra 2 durante aproximadamente 12 min con un período de parada entre ciclos de 1 min a 2 min para invertir los circuitos. Se trata del período de "inversión". Las dos cubas tienen una sección circular y están provistas de canales periféricos 13 que están interconectados por un conducto de humos de conexión 3. Las cubas están divididas verticalmente en tres zonas, la zona de precalentamiento A donde se precalienta la roca carbonatada antes de la calcinación, la zona de combustión B donde se produce la cocción de la roca carbonatada y la zona de enfriamiento C donde se produce el enfriamiento de la materia calcinada.

Cuando una cuba está en modo cocción, en este caso la cuba 1, un dispositivo de alimentación de combustible en forma de lanzas 4 inyecta combustible 9 en la cuba, que, en el ejemplo ilustrado, es gas natural. La roca carbonatada, cargada en la parte superior de la cuba por una entrada 5 en posición abierta, desciende gradualmente hacia la misma. El aire de combustión se introduce en la parte superior de la cuba a través de una abertura de suministro 6, lo que permite una combustión del combustible a la salida de las lanzas 4 y una descarbonatación de la roca carbonatada en materia calcinada 10. La corriente gaseosa 11 formada por la combustión y la descarbonatación desciende en corriente paralela de la materia calcinada y, a través del canal periférico 13, pasa a través del conducto de humos de conexión 3. El aire de enfriamiento es, por un conducto de suministro 7, introducido en el fondo de la cuba, en contracorriente de la materia calcinada, para enfriarla. El aire de enfriamiento calentado 12 se mezcla con la corriente gaseosa que contiene los humos de combustión 11 para pasar al conducto de humos de conexión 3. La materia calcinada se descarga a través de la salida 8 a un equipo de descarga 24.

Cuando una cuba está en modo precalentamiento, en este caso la cuba 2, el dispositivo de alimentación de combustible está cerrado y, por tanto, las lanzas 4 no funcionan. Lo mismo ocurre con la entrada 5 para la roca carbonatada y la abertura 6 para el suministro de aire de combustión. Por el contrario, el conducto de suministro 7 para el aire de enfriamiento y la salida 8 para la materia calcinada permanecen en posición de abertura. Después del intercambio de calor con la materia calcinada descendente 10, el aire de enfriamiento calentado se mezcla con la corriente gaseosa 11 que, procedente del conducto de humos de conexión 3, llega a la cuba a través del canal periférico 13. Esta corriente gaseosa 11 progresa hasta la parte superior de la cuba donde es evacuada del horno a través de un conducto de evacuación 14 y transferida a una chimenea 15. En la cuba en modo cocción 1, este conducto de evacuación 14 está cerrado.

El horno también comprende un sistema de inversión 16 representado de manera esquemática. Controla sincrónicamente el funcionamiento de las cubas, durante el tiempo de inversión de las cubas, directamente o a distancia. Controla la activación o desactivación de todos los elementos del horno para que, en régimen de producción, cada cuba funcione alternativamente en modo cocción y en modo precalentamiento.

En algunos casos, hay tres cubas, dos en precalentamiento y una en combustión.

La figura 1 muestra un horno diseñado para la producción de 430 toneladas de cal por día. Todos los caudales gaseosos mencionados a continuación se expresan en Nm3/t de cal producida.

Para reaccionar con el gas inyectado como combustible en la cuba 1, 1120 Nm3/t de aire de combustión se emplean de manera que se obtenga un exceso de aire del 19 % en peso con respecto a los requisitos estequiométricos, y para formar un volumen de 100 Nm3/t de CO<2>en la combustión. La concentración másica de oxígeno en el gas entrante es del 23 %, ya que es aire. La temperatura alcanzada es entonces muy superior a los 900 °C, lo que resulta en la descarbonatación de la roca caliza con una liberación de 380 Nm3/t de CO<2>. Para enfriar la cal producida a una temperatura del orden de 100 °C, se introducen 290 Nm3/t de aire de enfriamiento por el fondo de las dos cubas, lo que hace un total de 580 Nm3/t. En la chimenea se obtienen 2250 Nm3/t de efluente gaseoso que contiene 480 Nm3/t de CO<2>, es decir, que este efluente gaseoso tiene un contenido de CO<2>de 23 % sobre gas seco. Con este bajo contenido, el CO<2>es difícil de explotar o secuestrar, por lo que el efluente gaseoso se libera completamente a la atmósfera.

La figura 2a representa una modelización numérica del horno PFRK con sección circular que muestra el recorrido de los gases en función de su contenido de oxígeno. Sólo muestra la zona de combustión B, a partir del extremo de las lanzas, y la zona de enfriamiento C y, por tanto, no se representa la parte superior de las cubas.

Zonas a: en la cuba en modo cocción, aire de enfriamiento (abajo) y aire de combustión (arriba, justo encima de la punta de las lanzas) con un contenido de O<2>de 23 % en peso.

Zonas b: chorros de humos de combustión emitidos por las lanzas, en donde prácticamente no queda oxígeno y entre los que todavía puede haber un poco de O<2>sin reaccionar.

Zona c: los humos penetran profundamente en la zona de enfriamiento C, mezclándose poco a poco con el aire de enfriamiento. Empujan la mezcla gaseosa periféricamente en el canal periférico 13, y después en el conducto de humos de conexión 3.

Zona d: en la cuba en modo precalentamiento, aire de enfriamiento.

Zona e: mezcla entre la corriente gaseosa procedente del canal periférico 13 y el aire de enfriamiento. Cuanto más se avanza hacia el centro de la cuba, más aumenta el contenido residual de O<2>.

La figura 2b representa una modelización numérica similar en un horno PFRK cuyas cubas tienen una sección rectangular. En este caso, la distribución de los flujos gaseosos ya no es simétrica como en el caso de las cubas circulares.

La figura 3 es una vista de un horno según la presente invención. En este caso, no hay modificación de la estructura del horno. En el exterior se ha proporcionado, en el conducto de evacuación 14, un miembro de separación 17, capaz de extraer una parte del efluente gaseoso evacuado del horno e introducirlo en un circuito de recirculación 18. En este circuito, la parte del efluente gaseoso extraída se trata ventajosamente en una unidad de tratamiento 19, donde se puede, por ejemplo, filtrar y/o secar. Una unidad de separación de aire 20 separa el aire alimentado por el conducto 21 en N<2>evacuado por el conducto 22 y en O<2>llevado al circuito de recirculación 18 por el conducto de suministro 23. Este circuito 18 conduce entonces la mezcla de comburente formada por la fracción recirculada de efluente gaseoso y O<2>concentrado en la parte superior de cada una de las cubas en la abertura de suministro 6.

El funcionamiento del horno de la figura 3 es similar al de un horno PFRK. El miembro de separación 17 funciona continuamente, así como la unidad de procesamiento 19 y la unidad de separación de aire 20. Como ya se ha visto, el sistema de inversión 16 cierra el conducto de evacuación 14 en la parte superior de la cuba en modo cocción. Por el contrario, abre la abertura de suministro 6 en la parte superior de esta cuba para permitir la introducción de la mezcla de comburente, mientras está cerrado en la parte superior de la cuba en modo precalentamiento.

Se emplea la misma cantidad de roca carbonatada y los mismos caudales de combustible y aire de enfriamiento que en el horno convencional descrito anteriormente. Por el conducto de recirculación 18 se extraen 830 Nm3/t de efluente gaseoso evacuado del horno, rico en CO<2>. Con este efluente recirculado se mezclan 160 Nm3/t de O<2>, para mantener en la mezcla de comburente así formada la misma concentración másica de 23 % de O<2>y obtener durante la combustión el mismo exceso de oxígeno de 19 % en peso respecto a los requisitos estequiométricos. De este modo, el nitrógeno N<2>del aire de combustión se sustituye así por su equivalente másico de CO<2>. Como este último es más pesado que el dinitrógeno (peso específico de 1,977 frente a 1,25 g/Nm3), se reduce el volumen total de humos en el horno, lo que provoca una reducción de la pérdida de carga del 13 % respecto al horno convencional. En la chimenea se liberan 1240 Nm3/t de efluente gaseoso que ahora contiene un 43 % en volumen sobre gas seco de CO<2>. Con este contenido, como se explicó anteriormente, una explotación industrial es posible, como, por ejemplo, en fábricas de sosa.

Como variante de dicho horno según la invención, se puede, para reducir aún más el suministro de aire en el procedimiento, reducir el caudal de aire de enfriamiento. Por ejemplo, se puede reducir este aporte en un 50 %, dando 290 Nm3/t de aire de enfriamiento. Este volumen reducido puede introducirse a través del conducto de suministro 7 de la cuba única en modo cocción o utilizando los conductos de suministro 7 de las dos cubas. Esta medida tiene el efecto de reducir la dilución de los humos en un 50 %. Esto da como resultado un menor enfriamiento de la materia calcinada que se evacua a través de las salidas 8. Por ello, resulta necesario proporcionar equipos de descarga resistentes a una temperatura superior a 100 °C, por ejemplo, una mesa de descarga de acero refractario y unas cadenas de arrastre de acero. Como la cal sale más caliente, hay menos recuperación de calor a través del aire de enfriamiento, que se compensa con un ligero aumento en el aporte de combustible hasta un caudal que provoca la formación de 120 Nm3/t de CO<2>durante la combustión. Este aumento a su vez requiere, en el efluente gaseoso evacuado fuera del horno de 1730 Nm3/t, adaptar una cantidad extraída del circuito de recirculación a 865 Nm3/t y mezclar este efluente extraído con 200 Nm3/t de O<2>para mantener en la mezcla de comburente así formada la misma concentración másica de 23 % de O<2>y obtener durante la combustión el mismo exceso de oxígeno del 19 % en peso en relación con los requisitos estequiométricos. En la chimenea se obtiene entonces solamente 865 Nm3/t de efluente gaseoso con un alto contenido de CO<2>del 63 % en volumen sobre gas seco.

De hecho, puede establecerse una concentración de CO<2>a medida entre el 40 % y el 65 % en volumen de CO<2>en la chimenea ajustando la cantidad de aire de enfriamiento a entre el 100 % y el 50 % del volumen mínimo termodinámico necesario para enfriar la materia calcinada a una temperatura de referencia de 100 °C. Podría obtenerse una mayor concentración de CO<2>reduciendo el aporte de aire de enfriamiento por debajo del 50 %, dentro del límite de compatibilidad de la temperatura de la cal con el sistema de descarga y transporte a alta temperatura instalado a tal efecto.

La figura 4 es una vista de un horno ventajoso según la presente invención. Como se puede observar, esta forma de realización comprende las características de la forma de realización según la figura 3, sin embargo, adicionalmente, supone una ligera transformación en la estructura exterior del horno.

Se trata de obtener el aire de enfriamiento calentado por el contacto con la materia calcinada, mediante la instalación de un sistema de extracción. Las cubas 1 y 2 están provistas cada una, debajo del conducto de humos de conexión 3 y de los canales periféricos 13, de un anillo colector 25 que se comunica con un elemento de extracción 26 para permitir una extracción del aire de enfriamiento calentado fuera del horno. De esta forma, se puede extraer una parte o la totalidad del aire de combustión, si es necesario, extrayendo también una pequeña proporción de los humos de combustión. En efecto, como se muestra en la figura 2a, debido al hecho de que los gases descendentes penetran profundamente en la zona de enfriamiento C, el aire de enfriamiento es empujado hacia las paredes exteriores del horno donde está dispuesto el anillo colector. Las cubas también pueden comprender opcionalmente, en la parte inferior, un elemento colector central 27 que se comunica con el elemento de extracción 26 para permitir también una extracción central de aire de enfriamiento calentado, debajo del conducto de humos de conexión 3.

En el caso de hornos rectangulares, también es posible extraer el aire de enfriamiento sin anillo colector, por juntas laterales. Como se desprende de la figura 5, cada cuba tiene 4 lados. Un lado 28 de una cuba está frente a un lado 29 de la cuba vecina y cada cuba incluye un segundo lado 30 y respectivamente 31 que es opuesto a los que están uno frente al otro. El canal de transferencia de gas es un conducto de humos de conexión 3 que conecta directamente una cuba con la otra a través de sus lados 28 y 29. Debajo del conducto de humos de conexión, los lados 28 a 31 están provistos cada uno de un túnel colector 32 a 35 respectivamente que se comunica con un elemento de extracción 26 para permitir una extracción de aire de enfriamiento calentado fuera del horno.

Como la distribución de las corrientes gaseosas en un horno de cuba rectangular no es simétrica (véase la figura 2b), el aire de enfriamiento sólo es empujado hacia un lado por los humos calientes. También, en el horno representado, donde la cuba 1 está en modo cocción y la cuba 2 en modo precalentamiento, el sistema de inversión 16 únicamente abre los túneles colectores 32 y 34. Durante el ciclo siguiente, sólo estarán abiertos los túneles colectores 33 y 35.

En el horno que se ilustra en la figura 4, se emplea la misma cantidad de roca carbonatada y los mismos caudales de aire de enfriamiento que en el horno convencional descrito anteriormente. El aire de enfriamiento calentado se extrae fuera del horno mediante el elemento de extracción 26. En la cuba 1, se procede a una introducción de combustible de forma que se obtenga la formación de 105 Nm3/t de CO<2>en la combustión. Se evacua por la parte superior de la cuba 2 1330 Nm3/t de efluente gaseoso. Por el conducto de recirculación 18 se toman 730 Nm3/t de este efluente gaseoso evacuado, rico en CO<2>. Con este efluente recirculado se mezclan 220 Nm3/t de O<2>, para mantener en la mezcla de comburente así formada la misma concentración másica de 23 % de O<2>y obtener durante la combustión el mismo exceso de oxígeno de 19 % en peso respecto a los requisitos estequiométricos. De este modo, se obtiene en la chimenea sólo 600 Nm3/t de efluente gaseoso con un contenido del 96 % sobre gas seco de CO<2>.

En el horno que se ilustra en la figura 4, para recuperar una parte de la energía del aire caliente extraído por el elemento de extracción 26, se puede proporcionar un intercambio de calor con la parte del efluente gaseoso recirculado a través de un intercambiador de calor 36, antes o después de su mezcla con oxígeno concentrado.

También se puede proporcionar, además, en el conducto de humos de conexión 3 y los canales periféricos 13, una inyección de una fracción de dicha parte extraída del efluente gaseoso evacuado fuera del horno a través de un conducto de inyección 37. Un intercambio de calor entre el aire de enfriamiento calentado, extraído del horno, y la mencionada fracción a inyectar puede tener lugar previamente mediante un intercambiador de calor, por ejemplo el intercambiador de calor 36. En ausencia de ello, se puede proporcionar un intercambiador de calor no mostrado en el conducto de inyección 37.

Según otra variante más, la temperatura en el conducto de humos de conexión puede mitigarse inyectando agua en puntos seleccionados del conducto de humos y/o del anillo periférico. Esta agua añadida no tiene ningún efecto de dilución sobre la concentración de CO<2>sobre gas seco.

Estas disposiciones para recuperar el calor del aire de refrigeración calentado, extraído fuera del horno mediante intercambiadores de calor, y estos dispositivos de inyección de CO2 o agua en el conducto de humos de conexión, obviamente también pueden proporcionarse con hornos de cubas rectangulares.

Es obvio que también se puede diseñar un horno similar al que se representa en la figura 4 donde el aire de enfriamiento se inyecta en el fondo de solamente una de las dos cubas.

En la tabla 1 siguiente se muestran los caudales en un horno convencional y en diferentes variantes de hornos según la invención y en la tabla 2 las cantidades de los diferentes elementos gaseosos en la entrada de los hornos.

En la columna ejemplos, 1 significa un horno PFRK convencional, 2 y 3 son hornos según la figura 3 con caudales variables de aire de enfriamiento y 4 y 5 son hornos según la figura 4 con y sin intercambiador de calor.

Tabla 1

Tabla 2

Por supuesto, se entiende que la presente invención no se limita de ninguna manera a las realizaciones descritas anteriormente y que se pueden realizar muchas modificaciones sin apartarse del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Por ejemplo, podría ser ventajoso proporcionar la sustitución de las lanzas de inyección de combustible, enfriadas por aire, por lanzas aisladas térmicamente.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de calcinación de roca mineral en un horno recto vertical de flujo paralelo regenerativo, en donde al menos dos cubas están interconectadas por un canal de transferencia de gas, comprendiendo este procedimiento, en régimen de producción,

- una carga de roca mineral carbonatada en la parte superior del horno,

- un precalentamiento de esta roca,

- una cocción de esta roca con su descarbonatación en materia calcinada,

- un enfriamiento de la materia calcinada mediante aire de enfriamiento, y

- una descarga de la materia calcinada en el fondo de las cubas,

- comprendiendo el modo cocción:

- comprendiendo el modo precalentamiento:

una evacuación fuera del horno de un efluente gaseoso a base de la corriente gaseosa que contiene los humos de combustión, en la parte superior de dicha al menos una cuba en modo precalentamiento,caracterizado por quecomprende además

- una muestra de una parte del efluente gaseoso evacuado fuera del horno,

siendo el efluente gaseoso evacuado fuera del horno concentrado en CO<2>y teniendo un contenido de CO<2>de al menos 60 %, en concreto al menos 80 % y, de manera particularmente ventajosa, al menos 90 % en volumen sobre gas seco.

2. Procedimiento según la reivindicación 1,caracterizado por quedicho enfriamiento de la materia calcinada comprende, en la parte inferior de cada una de las cubas, un suministro de aire de enfriamiento que atraviesa en contracorriente la materia calcinada descendente y se calienta tras su entrada en contacto,por queel aire de enfriamiento calentado se mezcla, en la cuba en modo cocción, con la corriente de gas que contiene los humos de combustión, antes de su paso por el canal de transferencia de gas, y, en dicha al menos una cuba en modo precalentamiento, con esta corriente gaseosa después de este paso ypor queel efluente gaseoso concentrado en CO2 que se evacua fuera del horno contiene los humos de combustión y el aire de enfriamiento.

3. Procedimiento según la reivindicación 1,caracterizado por quedicho enfriamiento de la materia calcinada comprende, en la parte inferior de la cuba única en modo cocción, un suministro de aire de enfriamiento que atraviesa en contracorriente la materia calcinada descendente y se calienta tras su entrada en contacto,por queel aire de enfriamiento calentado se mezcla con la corriente gaseosa que contiene los humos de combustión, antes de su paso por el canal de transferencia de gas, ypor queel efluente gaseoso concentrado en CO2 que se evacua fuera del horno contiene los humos de la combustión y el aire de enfriamiento.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 2 y 3,caracterizado por queel aire de enfriamiento se suministra al horno en un volumen total equivalente o inferior a un mínimo termodinámico necesario para enfriar la materia calcinada a una temperatura de referencia de 100 °C.

5. Procedimiento según la reivindicación 4,caracterizado por queel volumen total de aire de enfriamiento suministrado al horno es del orden del 40 al 60 % de dicho mínimo termodinámico, preferiblemente igual al 50 % del mismo.

6. Procedimiento según la reivindicación 1,caracterizado por quedicho enfriamiento de la materia calcinada comprende, en la parte inferior de cada una de las cubas o en la parte inferior de la cuba única en modo cocción, un suministro de aire de enfriamiento que atraviesa en contracorriente la materia calcinada descendente y se calienta tras su entrada en contacto,por queel procedimiento comprende además una extracción del aire de enfriamiento calentado fuera del horno ypor queel efluente gaseoso evacuado fuera del horno contiene un contenido de CO<2>de al menos el 90 % en volumen sobre gas seco.

7. Procedimiento según la reivindicación 6,caracterizado por quecomprende además un intercambio de calor entre el aire de enfriamiento calentado, extraído fuera del horno, y dicha parte extraída del efluente gaseoso evacuado fuera del horno, antes o después de su mezcla con dioxígeno concentrado.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 6 y 7,caracterizado por quecomprende además, en el canal de transferencia de gas, una inyección de una fracción de dicha parte extraída del efluente gaseoso evacuado fuera del horno y, posiblemente antes de esta inyección, un intercambio de calor entre el aire de enfriamiento calentado, extraído del horno y la fracción antes mencionada a inyectar.

9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8,caracterizado por quecomprende además, en el canal de transferencia de gas, una inyección de agua.

10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9,caracterizado por quedicha combustión de combustible comprende una introducción en la cuba en modo cocción de un combustible gaseoso, líquido o sólido ypor que, en el caso de un combustible sólido, dicha introducción se realiza utilizando una porción de dicha parte extraída del efluente gaseoso evacuado fuera del horno, o de otra fuente de CO2, como gas portador.

11. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10,caracterizado por quedicha combustión de combustible tiene lugar en presencia de un exceso de oxígeno con respecto a los requisitos estequiométricos.

12. Horno recto vertical de flujo paralelo regenerativo para la implementación del procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, que comprende

- al menos dos cubas (1, 2) interconectadas por un canal de transferencia de gas,

- comprendiendo cada una de dichas cubas, en posición de servicio o fuera de servicio,

- al menos un dispositivo de alimentación de combustible (4),

- al menos una abertura de suministro de comburente que contiene oxígeno (6),

- una entrada (5) para la carga de una roca mineral carbonatada, en la parte superior de las cubas,

- una salida (8) para la descarga de materia calcinada producida, en la parte inferior de las cubas,

- un conducto de evacuación de efluente gaseoso (14) en la parte superior de las cubas, que está conectado a una chimenea (15), y

- un suministro de aire de enfriamiento (7) para enfriar la materia calcinada producida,

comprendiendo el horno un sistema de inversión (16) del funcionamiento de las cubas, dispuesto para que cada cuba funcione, en régimen de producción, alternativamente en modo cocción y en modo precalentamiento, estando una cuba en modo cocción durante un período de tiempo predeterminado mientras que al menos otra cuba está en modo precalentamiento y viceversa, controlando este sistema de inversión (16) a tal efecto dichas posiciones de servicio y fuera de servicio,

caracterizado por quecomprende además

- un circuito de recirculación (18) que está dispuesto entre el mencionado conducto de evacuación de efluente gaseoso (14) de las cubas y dichas aberturas de suministro de comburente (6) de las cubas,

- un miembro de separación (17), capaz de extraer una parte del efluente gaseoso evacuado del horno por el conducto (14) e introducirlo en el circuito de recirculación (18), y

- una fuente de dioxígeno concentrado (20) que se comunica con el circuito de recirculación (18) para alimentar con dioxígeno concentrado y formar de este modo una mezcla de comburente, siendo dicha abertura de suministro de comburente (6) de la cuba en modo cocción (1) llevada a la posición de servicio por dicho sistema de inversión (16) para garantizar la combustión del combustible y,

(i)caracterizado por quelas cubas tienen sección circular,por quedicho canal de transferencia de gas es un conducto de humos de conexión (3) que conecta los canales periféricos (13) dispuestos alrededor de cada cuba para permitir una transferencia de gas ypor que, por debajo del conducto de humos de conexión (3), las cubas están provistas de un anillo colector (25) que se comunica con un elemento de extracción (26) para permitir una extracción del aire de enfriamiento calentado fuera del horno, o

(ii)caracterizado por quelas cubas tienen sección rectangular,por queun primer lado (28) de una cuba (1) está orientado hacia un primer lado (29) de una cuba vecina (2) y cada cuba incluye un segundo lado (30, 31) que está en el extremo opuesto a los orientados entre sí (28, 29) ypor queel canal de transferencia de gas es un conducto de humos de conexión (3) que conecta directamente una cuba con la otra por sus primeros lados (28, 29),y por que, por debajo del conducto de humos de conexión, dichos primeros lados y dichos segundos lados de las cubas están provistos cada uno de un túnel colector (32 a 35) que se comunica con un elemento de extracción (26) para permitir una extracción del aire de enfriamiento calentado fuera del horno.

13. Horno según la reivindicación 12,caracterizado por quelas cubas circulares incluyen además, en el fondo, un elemento colector central (27) que se comunica con un elemento de extracción (26) para permitir una extracción del aire de enfriamiento calentado fuera del horno, por debajo del conducto de humos de conexión (3).

14. Horno según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 13,caracterizado por queel horno incluye, como fuente de dioxígeno para el circuito de recirculación, una unidad de separación de aire (20) en dioxígeno y dinitrógeno.

15. Horno según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14,caracterizado por queun intercambiador de calor (36) alimentado con aire de enfriamiento calentado, extraído del horno, está montado en el circuito de recirculación (18).

16. Horno según una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15,caracterizado por queincluye equipos de descarga de materia calcinada (24) resistentes a temperaturas superiores a 100 °C.