ES2252653T3

ES2252653T3 - Uso de cenizas de carbon con alto contenido de carbono.

Info

Publication number: ES2252653T3
Application number: ES03700759T
Authority: ES
Inventors: David Bridson Oates; John Graham Whellock; Philip Souza Zacarias
Original assignee: Lafarge Canada Inc
Current assignee: Lafarge Canada Inc
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2006-05-16
Anticipated expiration: 2023-01-28
Also published as: EP1478603A1; US6755905B2; CA2474568C; US20030154887A1; DE60302138T2; ATE308488T1; AU2003202362A1; EP1478603B1; WO2003068700A1; CA2474568A1; DE60302138D1

Abstract

Un procedimiento para producir una escoria sintética de aluminosilicato cálcico a partir de una fuente de cal y cenizas de carbón que comprende: a) formar una masa fundida inicial de un material inorgánico que proporciona una fuente de cal y una ceniza de carbón que tiene un contenido en carbono de 3 a 30% en peso, y hacer reaccionar cal y cenizas de carbón para formar una escoria sintética fundida de aluminosilicato cálcico, b) añadir a dicha escoria fundida cantidades recientes de dicho material inorgánico y dichas cenizas de carbón que tienen un contenido de carbono de 3 a 30% en peso, c) oxidar el contenido de carbono de dichas cenizas de carbón en dicha masa fundida con generación de calor, y aprovechar el calor generado en la fusión de dichas cantidades recientes para producir una masa fundida engrosada de escoria sintética fundida de aluminosilicato cálcico, y d) recuperar dicha escoria sintética de dicha masa fundida engrosada.

Description

Uso de cenizas de carbón con alto contenido de carbono.

Campo técnico

Esta invención se refiere a un método para producir un producto de valor a partir de un material inorgánico que proporciona una fuente de cal, el cual puede ser un subproducto inorgánico industrial tal como polvo de horno de cemento y una ceniza de carbón de alto contenido en carbono que puede ser un subproducto inorgánico industrial.

El método aprovecha el calor generado por la combustión del contenido de carbono de la ceniza de carbón y los gases de combustión calientes generados también proporcionan una fuente de energía calorífica que se puede recuperar.

Técnica anterior

Las cenizas de carbón, a saber, cenizas de fondo y cenizas volantes se producen como subproductos en la combustión de carbón y se recogen en instalaciones industriales en forma de partículas para su eliminación. Las cenizas volantes se producen en forma de finas partículas.

Las cenizas de carbón son puzolánicas y se emplean como materiales complementarios en cementos, sin embargo, un contenido en carbono significativo limita su uso en cementos en ausencia de etapas para retirar el carbono de dichas cenizas de carbón.

En el caso de cenizas de carbón que tienen un contenido de carbono superior a 3% en peso, se han desarrollado métodos que pueden retirar dicho carbono de manera que las cenizas de carbón se pueden emplear como complementos para cementos. Los métodos incluyen sistemas de separación que producen corrientes residuales de ceniza y carbono mezclados así como una corriente de cenizas de bajo contenido en carbono; y la combustión del carbono que produce una corriente de cenizas y calor que no se puede utilizar. Estos métodos no son prácticos ni económicos para cenizas de carbón con alto contenido en carbono que tienen un contenido en carbono superior a aproximadamente 10% en peso.

De este modo, las cenizas de carbón con alto contenido en carbono no se pueden emplear como material complementario para cementos, y representan un problema de eliminación.

El polvo de horno de cemento es un subproducto del tratamiento de cementos y se produce en forma de finas partículas y se compone de carbonato cálcico parcial o totalmente calcinado, de este modo, comprende carbonato cálcico y óxido de calcio (cal).

Las plantas cementeras pueden producir polvo de horno de cemento (CKD) en diferentes cantidades, incluso tan altas como 200.000 toneladas de polvo de horno de cemento anualmente, y el CKD representa un problema de eliminación.

El polvo de horno de cemento ha sido empleado en la producción de cemento, pero su fineza representa un problema de manipulación y su uso está limitado por la composición química.

La escoria de alto horno es un material complementario para cementos importante, sin embargo, la fabricación de dicho material para cementos está limitado a las escorias suministradas por altos hornos para hierro que tienen instalaciones para enfriar escorias.

Descripción de la invención

Esta invención pretende producir una escoria sintética comparable con escorias de altos hornos y la cual se pueda emplear como un material complementario para cementos, o como agregado de peso ligero.

Esta invención pretende producir también dicha escoria sintética empleando una fuente de cal, que puede ser, por ejemplo, polvo de horno de cemento, y cenizas de carbón de alto contenido en carbono.

Todavía de forma adicional, esta invención proporciona un método para producir dicha escoria sintética, el cual aprovecha el calor de combustión del alto contenido de carbono de cenizas de carbón.

Además, esta invención pretende proporcionar dicho método con retirada de gases de combustión calientes y recuperación de la energía calorífica de dichos gases.

La presente invención proporciona un procedimiento para producir una escoria sintética de aluminosilicato cálcico a partir de una fuente de cal y cenizas de carbón que comprende a) formar una masa fundida inicial de un material inorgánico que proporciona una fuente de cal y cenizas de carbón que tienen un contenido de carbono de 3 a 30% en peso, y hacer reaccionar la cal y las cenizas de carbono para formar una escoria sintética de aluminosilicato cálcico fundida, b) añadir a dicha escoria fundida cantidades recientes de dicho material inorgánico y dichas cenizas de carbón que tienen un contenido de carbono de 3 a 30% en peso, c) oxidar el contenido de carbono de dichas cenizas de carbón en dicha masa fundida con generación de calor, y aprovechar el calor generado para fundir dichas cantidades recientes para producir una masa fundida engrosada de escoria sintética fundida de aluminosilicato cálcico, y d) recuperar dicha escoria sintética a partir de dicha masa fundida engrosada.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 ilustra de forma esquemática un horno de combustión para realizar el método de la invención, en una realización, y

La Figura 2 ilustra de forma esquemática un horno para realizar la invención en una realización diferente.

Descripción de las realizaciones preferidas

El procedimiento de la invención produce un producto de valor a partir de materiales inorgánicos incluyendo un material inorgánico que es un subproducto de fabricación industrial y que representa un problema de eliminación.

En particular, el procedimiento emplea cenizas de carbón que tienen un alto contenido en carbono y que representa un importante problema de eliminación; y un material inorgánico que proporciona una fuente de cal. El material inorgánico que proporciona una fuente de cal es preferiblemente polvo de horno de cemento que es un subproducto de la producción de cementos, sin embargo, se pueden emplear otras fuentes de cal incluyendo, piedra caliza, cal calcinada, dolomita, calcita, otras formas de carbonato cálcico, cal (cal viva), hidróxido cálcico (cal apagada), o sus combinaciones.

La masa fundida se puede complementar con materiales auxiliares que introducen los elementos Ca, Si y Al en dicha masa fundida, por ejemplo, silicato cálcico, aluminato cálcico y aluminosilicato cálcico, escorias de altos hornos enfriadas con aire y materiales tales como escorias de acero, que introducen otros elementos tales como Mg; ejemplos adicionales de materiales auxiliares para introducir Mg son óxido, hidróxido o carbonato de magnesio.

i) Cenizas de carbón

Las cenizas de carbón empleadas en esta invención se refieren a los residuos producidos en calderas de plantas de potencia o en hornos de combustión de carbón, por ejemplo, calderas de emparrillado, calderas de turbulencia y calderas de lecho fluido, procedentes de la combustión de antracita o lignito pulverizado, o carbón bituminoso o sub-bituminoso. Dichas cenizas de carbón incluyen cenizas volantes que son cenizas de carbono finalmente divididas transportadas desde el horno por gases de evacuación o de proceso; y cenizas de fondo las cuales se recogen en la base del horno como aglomerados; el tamaño de las partículas de las cenizas no es importante. Preferiblemente las cenizas de carbón tienen un contenido en carbono de 5 a 20% en peso.

Las cenizas volantes empleadas en la invención pueden ser cenizas volantes de Tipo F o de Tipo C contaminadas con carbono o cenizas de fondo contaminadas de forma similar con carbono, tales como las procedentes del empleo de calderas de bajo contenido en NO_{x} para reducir óxidos de nitrógeno en plantas de potencia de combustión de carbón, o procedentes del encendido no uniforme de calderas encendidas con carbón generalmente; o procedentes de la adición de bajos niveles de coque de petróleo a lignito, carbón sub-bituminoso o bituminoso.

a) Cenizas volantes

Las cenizas volantes de Tipo F y de Tipo C referidas anteriormente se definen por las normas CSA Estándar A23-5 y ASTM C618, teniendo estas mismas cenizas volantes un LOI% más alto o un mayor contenido de carbono que el especificado por los valores estándar.

Las cenizas volantes pueden contener de 3 a 30%, más usualmente de 5 a 20% en peso de carbono, una cantidad que resultaría desventajosa si dichas cenizas volantes se emplearan en una cantidad de 2 a 40%, o más usualmente de 5 a 25% en peso, como una suplemento a clinker de cemento.

En general, se prefiere evitar la presencia de carbono en las cenizas volantes que se utilizan para reemplazar una parte de cemento; cuando el carbono está presente resulta más difícil controlar las características del cemento y del hormigón.

Típicamente, la mayor parte de las cenizas, al menos aproximadamente un 80% en peso, comprende partículas inferiores a 45 micrómetros.

b) Cenizas de fondo

Las cenizas de fondo se forman como aglomerados en calderas de combustión de carbón procedentes de la combustión del carbón. Dichas calderas de combustión pueden ser calderas de fondo húmedo o calderas de fondo
seco.

Cuando se producen en una caldera de fondo húmedo o seco, las cenizas de fondo se enfrían con agua. El enfriamiento da lugar a aglomerados que tienen típicamente un tamaño en el que el 90% se encuentra en el intervalo de tamaños de partículas de 0,1 mm a 20 mm; en general, los aglomerados de cenizas de fondo tienen una ancha distribución de tamaños de aglomerado dentro de este intervalo.

Los componentes químicos principales de unas cenizas de fondo son sílice y alúmina con cantidades inferiores de óxidos de Fe, Ca, Mg, Mn, Na y K, así como azufre y carbono. Las cenizas de fondo pueden tener también propiedades hidráulicas; esto depende de la composición química del carbón, especialmente del contenido de calcio.

ii) Polvo de horno de cemento

El polvo de horno de cemento se produce en un horno de cemento como un subproducto en la fabricación de cementos.

El polvo de horno de cemento está compuesto de finas partículas que tienen típicamente un tamaño de partículas de 100% que sobrepasan 300 micrómetros y 50% que sobrepasan 20 micrómetros.

La Tabla 1 siguiente, presenta una composición química típica de polvo de horno de cemento. La composición se expresa como óxidos para fines de análisis. De este modo, por ejemplo, un contenido analítico de CaO se refiere al contenido total de Ca expresado como óxido CaO.

\vskip1.000000\baselineskip

Composición química %
Material	SiO_{2}	Al_{2}O_{3}	Fe_{2}O_{3}	CaO	SO_{3}	MgO	Na_{2}O	K_{2}O	TiO_{2}	LOI
CKD	0-25	0-10	0-5	20-60	0-20	0-5	0-2	0-10	0-1	5-30
LOI= pérdida de ignición.

iii) Método de fusión

El método se describirá más particularmente haciendo referencia a la realización preferida en la que la fuente de cal es polvo de horno de cemento y las cenizas de carbón son cenizas volantes de alto contenido en carbono.

El método implica la reacción de oxidación a alta temperatura del polvo de horno de cemento y de las cenizas volantes para generar una material fundido de aluminosilicato cálcico el cual se puede considerar una escoria sintética, ya que tiene una composición química que imita la de una escoria procedente de un alto horno para hierro.

La reacción tiene lugar con oxígeno que se puede emplear como gas oxígeno, aire o aire enriquecido con oxígeno. Se pueden emplear también otras mezclas gaseosas que incluyen oxígeno libre con la condición de que dichas mezclas no interfieran con la reacción deseada o sean inertes a dichas reacciones.

El oxígeno oxida el contenido de carbono de las cenizas volantes formando óxidos de carbono en una reacción exotérmica y el calor generado en dicha reacción exotérmica se aprovecha en la formación de la composición química deseada de la escoria sintética producida en forma de masa fundida; el calor procedente de los gases de escape se puede usar para la producción de electricidad o para otros fines.

La oxidación del carbono forma dióxido de carbono y posiblemente monóxido de carbono pero este último se oxida adicionalmente a dióxido de carbono; el oxígeno se suministra típicamente en exceso con respecto al requerido para al combustión del carbono, con lo que se asegura la oxidación de cualquier cantidad de monóxido de carbono a dióxido.

En una realización preferida la presente invención proporciona un procedimiento para producir un cemento a partir de subproductos inorgánicos industriales que comprende:

a): fundir y hacer reaccionar una carga que consiste esencialmente en polvo de horno de cemento y cenizas volantes que tienen un contenido en carbono de 3 a 30% en peso, basado en el peso de las cenizas volantes, en cantidades para proporcionar una relación molar de SiO_{2} y Al_{2}O_{3} a CaO de 1 a 2,5:1, a una temperatura de 1200ºC a 1650ºC para formar una escoria fundida de aluminosilicato cálcico:

b): añadir a dicha escoria fundida cantidades recientes de dicho polvo de horno de cemento y dichas cenizas volantes que tienen un contenido de carbono de 3 a 30% en peso, basado en el peso de las cenizas volantes;

c): inyectar un gas que contiene oxígeno en el interior dicha escoria fundida para agitar la escoria fundida y dispersar gas en su interior y oxidar el contenido de carbono de dichas cenizas volantes en dicha escoria fundida con dicho gas en una reacción exotérmica con generación de calor y subproductos de dióxido de carbono, y aprovechar el calor generado para fundir dichas cantidades recientes para producir una masa fundida engrosada de escoria fundida de aluminosilicato cálcico, y

d): recuperar un cemento de aluminosilicato cálcico a partir de dicha masa fundida engrosada. Más preferiblemente, el procedimiento comprende además una etapa de e) retirar los gases de combustión calientes que contienen dicho subproducto de dióxido de carbono de dicha masa fundida engrosada y recuperar la energía calorífica de dichos gases de combustión calientes.

El procedimiento de la invención se puede realizar de forma continua o de forma semi-continua o continuada o en tandas.

Las cantidades relativas de las cenizas de carbón y del material inorgánico que proporciona una fuente de cal consideradas en base a SiO_{2} y Al_{2}O_{3} respecto a CaO, como una relación molar, serán típicamente de 1 a 2,5:1, preferiblemente de 1,5 a 2,5:1, para proporcionar una escoria sintética de aluminosilicato cálcico según la invención. Los análisis típicos, expresados como cantidades de óxidos son:

SiO_{2}	Al_{2}O_{3}	TiO_{2}	P_{2}O_{5}	Fe_{2}O_{3}	CaO	MgO	Mn_{2}O_{3}	Na_{2}O
25	10	0	0	0	15	0	0	0
55	30	2	1,0	15	60	20	2	10

En la puesta en marcha, se puede requerir una cantidad suplementaria de calor para la fusión para formar una masa fundida inicial de una carga de polvo de horno de cemento y cenizas volantes, después de lo cual, el calor necesario para la reacción y para fundir cargas recientes de polvo de horno de cemento y cenizas volantes añadidas a la masa fundida se puede generar in situ mediante la oxidación del contenido de carbono de las cenizas volantes. Por lo tanto, en una reacción preferida de la presente invención, la masa fundida inicial se forma en la etapa a) del procedimiento de la invención como se definió anteriormente con calor suplementario y después de lo cual el suministro de dicho calor suplementario es discontinuo.

Está dentro del alcance de la invención que el calor generado anteriormente mencionado sea para proporcionar el calor primario para el proceso de fusión, que el calor suplementario o secundario se proporcione añadiendo material carbonoso a la masa fundida.

Si es o no necesario calor suplementario dependerá del nivel de contenido en carbono de las cenizas volantes, y de las cantidades relativas de polvo de horno de cemento y de cenizas volantes empleadas en una operación particular. Esto último puede depender, en parte, de la abundancia relativa del polvo de horno de cemento y de las cenizas de alto contenido en carbono en el lugar en el que se realiza el método.

La necesidad de calor suplementario es también un función del punto de fusión final del sistema de escoria, cuanto más alta sea la temperatura de funcionamiento empleada para mantener una buena fluidez de la escoria sintética, más probable será la necesidad de usar combustible adicional a parte del desarrollado a partir del carbono de las cenizas volantes. Hasta cierto punto, un mayor enriquecimiento en oxígeno del gas oxidante (aire y oxígeno) permitirá alcanzar esta temperatura sin utilizar combustible adicional a menos que las cenizas volantes sean cenizas con un contenido en carbono relativamente bajo.

Se entenderá que se pueden complementar las cenizas volantes con alto contenido en carbono con cenizas volantes con bajo contenido en carbono si no hay suficientes cenizas volantes con alto contenido en carbono disponibles con respecto al contenido de polvo de horno de cemento disponible para el funcionamiento deseado o con materiales de composición química similar tales como una escoria de alto horno enfriada con aire y escoria de acero. Las escorias de acero no se usan generalmente como cementos complementarios debido a la presencia en éstas de óxido de magnesio sin reaccionar y son, en gran medida, productos de desecho. Dichas escorias de acero se pueden usar como un componente de la masa fundida en el procedimiento de la invención. El magnesio reaccionaría con otros elementos en la masa fundida y resultaría un componente estable del producto enfriado.

El método se puede realizar en cualquier horno o reactor de alta temperatura capaz de mantener una masa fundida fluida del polvo de horno de cemento y cenizas volantes y en cuyo interior se pueda introducir fácilmente gas oxígeno para la oxidación del carbono.

Una parte importante del procedimiento de la invención es el uso principal de combustible económico dentro de los ingredientes en comparación con el combustible externo caro.

Hornos adecuados incluyen hornos de bóvedas, hornos de combustión sumergida, reactores Noranda, reactores de llama y reactores de pulverización de llama todos ellos conocidos en la recuperación de metales a partir de menas de metales, o fusión de metales.

En general un horno adecuado proporciona un baño de masa fundida del material cargado, y se introducen cargas adicionales desde arriba de la superficie superior del baño. Se inyecta gas oxígeno, por ejemplo, aire enriquecido con oxígeno, dentro del baño de masa fundada a través de una lanceta alargada o a través de una pluralidad de lancetas. El gas oxígeno se inyecta a alta velocidad para enfriar la lanceta, o dicha lanceta se puede enfriar indirectamente, y el gas oxígeno inyectado agita la masa fundida para dispersar el oxígeno por su interior para la reacción con el contenido en carbono de las cenizas volantes. Al mismo tiempo, la agitación origina salpicaduras de la masa fundida formándose un revestimiento sobre la lanceta, y dicho revestimiento sirve para proteger la lanceta de la alta temperatura del baño de masa fundida.

La lanceta o las lancetas pueden acabar justo por encima de la masa fundida o estar sumergidas introduciéndose desde la parte superior del recipiente o a través de las paredes laterales. En lugar de una lanceta o además de la lanceta se pueden emplear toberas (boquillas o conductos) en las paredes laterales tales como las empleadas en reactores Noranda o convertidores usados para fundir menas o concentrados. En ciertos casos, se pueden usar tapones porosos para conseguir un efecto de agitación o suministrar aire y oxígeno a la masa fundida. Por la acción de estas lancetas o toberas la masa fundida es agitada por el gas oxígeno inyectado, y se mezclan los reactivos. Se origina una emulsión de burbujas de gas y escoria líquida sintética proporcionando una elevada superficie específica para la mejora de la combustión y reacciones de formación de escoria sintética. Las burbujas de gas caliente de los productos de combustión, principalmente nitrógeno y dióxido de carbono, generadas en el baño por la reacción exotérmica ascienden hacia arriba y escapan de la superficie superior del baño; en su paso hacia la superficie superior del baño el calor de las burbujas se transfiere al baño de masa fundida. Los gases de salida que escapan desde la superficie superior del baño en la zona por encima del baño son retirados del horno. Estos gases de salida están calientes, típicamente próximos a la temperatura de la propia masa fundida, y se puede recuperar su energía calorífica, por ejemplo, mediante técnicas convencionales de transferencia de calor, para usar en calentamiento de calderas o usos simila-
res.

La recuperación de la energía calorífica representa una ventaja significativa del método de la invención.

Cualquier cantidad de monóxido de carbono que escapa del baño típicamente se oxidará a dióxido de carbono por oxígeno en la atmósfera de la zona por encima del baño, ya que generalmente habrá un exceso de oxígeno por encima del estequiométricamente requerido.

Una ventaja de aprovechar el contenido de carbono de las cenizas volantes como el único combustible o el combustible primario para el calentamiento para el proceso de fusión, especialmente después de la puesta en marcha, es que el dióxido de carbono es el único o principal subproducto gaseoso para retirar. El uso de otros materiales carbonosos tales como carbón o combustibles hidrocarbonados da lugar a la emisión de vapor de agua y de cenizas los cuales luego presentan problemas de manipulación y eliminación. La generación de vapor de agua caliente y cenizas requiere también sistemas de recuperación de calor más complejos ya que la recuperación del calor ocasiona la condensación del vapor a agua caliente, y el enfriamiento de las partículas de cenizas calientes y su aglomeración.

El proceso de fusión típicamente requiere una temperatura de 1200ºC a 1650ºC, preferiblemente de 1300ºC a 1450ºC, para que la reacción de fusión prosiga de forma satisfactoria y de lugar a una escoria sintética fluida con calor suficiente para que fluir desde el horno o reactor con facilidad.

A medida que se introducen en el horno carga adicional o reciente del polvo de horno de cemento y cenizas volantes, el baño de masa fundida aumenta de tamaño; el material fundido puede ser descargado continua o periódicamente desde el baño y recuperado como un producto de valor.

iv) Producto de valor

El aluminosilicato cálcico fundido o escoria sintética se puede tratar de diferentes maneras dependiendo del producto de valor deseado.

En una realización particular, se forman nódulos con la escoria sintética, y lo nódulos resultantes se pueden emplear como un agregado mineral, en hormigón o materiales similares, o los nódulos se pueden triturar hasta formar un cemento de aluminosilicato cálcico en partículas, el cual se puede emplear de la misma forma que se emplea el cemento de escoria de alto horno, solo o mezclado con otros cementos.

La formación de nódulos típicamente implica formar gotas de la escoria sintética fundida y enfriar las gotas fundidas dejando a su vez que dichas gotas se dilaten durante la solidificación. De esta manera, los nódulos se forman como un agregado dilatado de peso ligero.

La formación de nódulos se puede conseguir, en particular, alimentando la escoria sintética fundida sobre un volante de nodulización y pulverizando continuamente dicho volante con elevados volúmenes de agua. De esta manera se forman nódulos dilatados que tienen un peso más ligero que los agregados minerales formados de manera natural.

Los nódulos se pueden usar directamente como agregados de peso ligero o se pueden moler o triturar hasta la finura del cemento para emplearse como cemento de escoria.

De forma alternativa, la escoria sintética se puede enfriar simplemente en agua y después granular en un granulador para proporcionar cemento de escoria.

Tanto el agregado de peso ligero como el cemento de escoria representan productos valiosos, los cuales se pueden producir, según la invención a partir de subproductos inorgánicos de procedimientos industriales, y dichos subproductos son generados en elevado volumen y presentan problemas de manipulación y eliminación.

El calor producido procedente de los gases de salida es importante como fuente de calor para la producción de vapor de agua para electricidad y para otros fines.

Descripción de una realización preferida con referencia a los dibujos

Con referencia adicional a la Figura 1, un horno de combustión 10 tiene un alojamiento de horno 12, una lanceta 14, un orificio de entrada 16, que puede ser también una lanceta, un orifico de salida 18 de gases de evacuación y un orificio de salida de colada 20.

El baño fundido 22 que tiene una superficie superior 24 de baño se forma en una región inferior 26 del horno 10. Se defino una zona 28 por encima de la superficie 24.

El alojamiento del horno 12 tiene una pared de horno 30 y un forro interior refractario 32. Típicamente la pared 30 del horno se enfría externamente por medios (no mostrados).

El método que emplea el horno 10 se describe además con referencia a la realización preferida que emplea polvo de horno de cemento y cenizas volantes de alto contenido en carbono.

Se introduce una carga inicial de polvo de horno de cemento y de cenizas volantes a través del orifico de entrada 16 al interior de la región inferior 26 del horno 10.

Se introducen gas oxígeno o aire y combustible en la región inferior 26 a través de la lanceta 14 para producir una masa fundida inicial de la carga como un baño fundido 22. Las cenizas volantes que contienen carbono que se van a quemar junto con gas oxígeno, por ejemplo, aire, se inyectan a través de la lanceta 14 al interior de baño 22. Esta inyección se puede realizar por encima o por debajo de la masa fundida, sin embargo, se ha de producir una suficiente velocidad de inyección como para introducir burbujas en el baño 22 y agitar dicho baño 22 como se muestra por las flechas. Después, se introducen cargas recientes de cenizas volantes y polvo de horno de cemento a través del orificio de entrada 16 o de la lanceta 14, y después se inyectan el gas oxígeno y preferiblemente las cenizas volantes de alto contenido en carbono con o sin polvo de horno de cemento en el interior del baño fundido 22 a través de la lanceta 14 (mostrado funcionando justo por encima o por debajo de la superficie 24) para aumentar el tamaño de la masa fundida en el baño fundido 22. Si se van a usar en el procedimiento cantidades adicionales de cenizas volantes de bajo contenido en carbono, es decir menos de 3%, se pueden añadir a través del orificio de entrada 16 con o sin pequeñas cantidades de aire necesario para su transporte.

El calor para fundir las cargas recientes proviene de la oxidación exotérmica del carbono en las cenizas volantes por el oxígeno en el gas oxígeno o aire.

La oxidación del carbono produce burbujas calientes de gas dióxido de carbono las cuales ascienden a través del baño fundido 22 y escapan de la superficie 24 al interior de la zona 28.

El calor se transfiere desde las burbujas calientes al baño fundido a medida que ascienden las burbujas.

Los gases de salida calientes en la zona 28 se retiran del horno 10 a través del orificio de salida 18. Cualquier cantidad de monóxido de carbono que escapa del baño es oxidada por el oxígeno en la zona 28.

El gas de salida caliente evacuado a través del orificio de salida 18 se somete a operaciones de recuperación de calor, por ejemplo, en intercambiadores de calor gas a aire o en calderas de calor residual o, en determinadas circunstancias, se usa para precalentar sólidos que se introducen en el horno. Esto incluiría un material tal que se alimenta como productos que contienen piedra caliza, dolomita o cal u otra alimentación que no se está inyectando físicamente, la cual podrían precalentarse de forma efectiva, después de lo cual los gases de salida se descargan a la atmósfe-
ra.

El dióxido de carbono procede de la oxidación del contenido de carbono de las cenizas volantes y también de la descomposición térmica de carbonato cálcico en el polvo de horno de cemento. Como el LOI en las cenizas volantes es esencialmente carbono en fase sólida, no hay hidrógeno como habría en la mayoría de carbones o gas natural o combustibles oleicos, de manera que el principal subproducto gaseoso es dióxido de carbono, además de nitrógeno que no toma parte en la reacción y de una pequeña cantidad de oxígeno (el exceso).

Después de la puesta en marcha, si no se emplean combustibles complementarios, el dióxido de carbono es el único gas de descarga.

Las cargas de cenizas volantes y polvo de horno de cemento están en proporciones tales que el proceso de fusión origina una escoria sintética de aluminosilicato cálcico.

La escoria sintética se descarga desde el orifico de salida 20 y típicamente se somete a formación de nódulos para producir nódulos que se pueden emplear como agregados minerales o moler o triturar hasta la finura de cemento de escoria.

Se inyecta gas oxígeno o aire para proporcionar un exceso estequiométrico para la oxidación del contenido de carbono de las cenizas volantes, para asegurar que todo el carbono se oxide.

La Figura 2 muestra una realización alternativa de un reactor que tiene algunas de las características que el de la Figura 1. El horno 110 tiene un alojamiento 112, un orifico de entrada 116, un orificio de salida 118 de gas de evacuación y un orifico de salida de colada 120.

El horno 110 tiene una lanceta 114 y toberas o conductos 115.

Se forma un baño fundido 122 que tiene una superficie superior 124 del baño en una región inferior 126 del horno 110. Se define una zona 128 por encima de la superficie 124.

El alojamiento 112 del horno tiene una pared de horno 130 y un forro interior refractario 132.

Típicamente la pared de horno 130 se enfría externamente por medios (no mostrados).

El método que emplea el horno 110 se describe adicionalmente con referencia a la realización preferida que emplea polvo de horno de cemento y cenizas volantes de alto contenido en carbono.

Se introduce una carga inicial de polvo de horno de cemento y cenizas volantes a través del orifico de entrada 116 por medio de un alimentador 129, por ejemplo un transportador de tornillo, al interior de la región inferior 126 del horno 110. La lanceta 114, que podría ser una o una pluralidad de lancetas, dependiendo de la configuración deseada y del tamaño final de la unidad, tiene un soplador 136 que proporciona una fuente de aire. Se introducen CKD en 137 y cenizas volantes en 138 dentro de la lanceta 114 y se inyectan en el interior del baño 122. El aire puede estar enriquecido con oxígeno en el punto 135. Las toberas o conductos 115 inyectan aire y/o oxígeno por debajo de la superficie 124. Las toberas 115 pueden complementar a la lanceta 114 o emplearse en lugar de dicha lanceta 114. La opción existe para pasar el aire desde un soplador 134 a través de un intercambiador de calor 133 para precalentar el aire o la mezcla de aire y oxígeno (si se añade oxígeno éste se introduce en 135) antes de entrar en la masa fundida enfriando a su vez simultáneamente los gases de evacuación que abandonan el horno.

Una parte del oxígeno total requerido para la combustión y el proceso de reacción puede proceder de las toberas sumergidas 115 y una proporción de la lanceta 114. El posible también diseñar toda la operación sin la lanceta 114 para inyectar en la masa fundida, excepto cuando ésta sea una característica útil para permitir la fusión inicial mediante inyección de, por ejemplo, un combustible gaseoso con aire o aire enriquecido con oxígeno. Si se prescinde de la lanceta 114 para la alimentación entonces resulta apropiado inyectar las cenizas volantes enriquecidas con combustible, a través del punto 139, en el interior de la masa fundida a través de las toberas 115, pero si no hay suficiente cantidad de carbono para cumplir el equilibrio térmico entonces se puede alimentar carbón más grueso u otro combustible sólido en el interior del recipiente a través del alimentador 129 y del orificio de entrada 116. El calor para fundir la carga reciente procede de la oxidación exotérmica del carbono en las cenizas volantes por el oxígeno en el gas oxígeno o el aire.

Las cargas de cenizas volantes y polvo de horno de cemento están en proporciones tales que la masa fundida produce una escoria sintética de aluminosilicato cálcico.

La escoria sintética es descargada desde el orificio de salida 120 y típicamente se somete a formación de nódulos para producir nódulos que se pueden emplear como agregados minerales o moler o triturar hasta la finura del cemento de escoria.

El gas oxígeno o el aire se inyectan para proporcionar un exceso estequiométrico para oxidar el contenido de carbono de las cenizas volantes, para asegurar que todo el carbono se oxida.

En algunas circunstancias podría resultar deseable mezclar previamente las cenizas volantes y el polvo de horno de cemento en proporciones adecuadas para su inyección a través de la lanceta 114 o de las toberas 115.

Resulta también práctico en ciertos casos que todos los reactivos sean alimentado a través del alimentador 129 y del orifico de entrada 116 con la condición de que haya suficiente distribución de oxígeno a través de las toberas 115 o a través de la lanceta 114 para permitir la combustión y distribución del calor generado por toda la masa fundida.

Es suficiente decir que existen numerosas opciones en el modo en el que se podría implementar el procedimiento y el diseño apropiado del horno. Los ejemplos de presentan en esta memoria sólo para fines descriptivos. Para los expertos en la técnica resultará evidente que existen otras posibilidades que utilizan, ninguno, uno o cierto número de boquillas, toberas o incluso tapones porosos para la inyección de gas oxígeno. Si se usan una o más lancetas o si éstas funcionan introduciéndose o inyectándose desde encima de la masa fundida o están sumergidas y entonces el nivel de precalentamiento o el enriquecimiento de oxígeno resultaría una elección económica para el diseñador del horno. Los principios que se observarían son: suficiente exceso de oxígeno para completar la reacción de combustión; una relación apropiada de reactivos para formar la composición química deseada de la escoria sintética; un valor suficiente de calentamiento en las cenizas volantes como o sin la adición de combustible suplementario, carbón o combustibles residuales, para cumplir el equilibrio térmico a una temperatura suficientemente alta. Esta temperatura está predeterminada para sobrepasar el puntó de fusión del producto de escoria y adecuadamente con una temperatura en exceso suficiente para permitir una baja viscosidad de la escoria para facilitar el mezclamiento y descarga desde el recipiente.

Adecuadamente, el gas oxígeno en exceso es más 0% hasta 50%, preferiblemente de 5% a 15%, con respecto a una base estequiométrica.

Claims

1. Un procedimiento para producir una escoria sintética de aluminosilicato cálcico a partir de una fuente de cal y cenizas de carbón que comprende:

a): formar una masa fundida inicial de un material inorgánico que proporciona una fuente de cal y una ceniza de carbón que tiene un contenido en carbono de 3 a 30% en peso, y hacer reaccionar cal y cenizas de carbón para formar una escoria sintética fundida de aluminosilicato cálcico,

b): añadir a dicha escoria fundida cantidades recientes de dicho material inorgánico y dichas cenizas de carbón que tienen un contenido de carbono de 3 a 30% en peso,

c): oxidar el contenido de carbono de dichas cenizas de carbón en dicha masa fundida con generación de calor, y aprovechar el calor generado en la fusión de dichas cantidades recientes para producir una masa fundida engrosada de escoria sintética fundida de aluminosilicato cálcico, y

d): recuperar dicha escoria sintética de dicha masa fundida engrosada.

2. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho material inorgánico que proporciona una fuente de cal es polvo de horno de cemento.

3. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicho material inorgánico que proporciona una fuente cal se seleccionada de piedra caliza, dolomita, cal calcinada, calcita, carbonato cálcico, cal viva, hidróxido cálcico o sus combinaciones.

4. Un procedimiento según la reivindicación 1, 2 ó 3, en el que dichas cenizas de carbón son cenizas volantes.

5. Un procedimiento según la reivindicación 1, 2 ó 3, en el que dichas cenizas de carbón son cenizas de fondo.

6. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicho contenido de carbono es de 5 a 20% en peso.

7. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el calor generado por la oxidación del contenido de carbono de dichas cenizas de carbón en c) es el calor primario en dicha fusión de dichas cantidades recientes para producir dicha masa fundida engrosada.

8. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que dicha masa fundida inicial se forma en la etapa a) con calor suplementario y después de lo cual el suministro de dicho calor suplementario es discontinuo.

9. Un procedimiento según la reivindicación 7, que incluye además, añadir un material carbonoso residual a dicha masa fundida y oxidar dicho material carbonoso residual para generar calor para complementar dicho calor primario en dicha fusión.

10. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que la etapa d) comprende formar nódulos con dicha masa fundida engrosada.

11. Un procedimiento según la reivindicación 10, en el que dicha formación de nódulos comprende formar gotas de dicha masa fundida engrosada y enfriar dichas gotas permitiendo a su vez que las gotas enfriadas se dilaten y solidifiquen.

12. Un procedimiento según la reivindicación 10, que incluye triturar los nódulos producidos de este modo hasta una finura de cemento.

13. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que dicho material inorgánico y dichas cenizas de carbón se emplean en cantidades para proporcionar una relación molar de SiO_{2} y Al_{2}O_{3} a CaO de 1,5 a 2,5:1.

14. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que incluye una etapa de añadir escoria de acero a dicha masa fundida.

15. Un procedimiento para producir un cemento a partir de subproductos inorgánicos industriales que comprende:

a): fundir y hacer reaccionar una carga que consiste esencialmente en polvo de horno de cemento y cenizas volantes que tienen un contenido en carbono de 3 a 30% en peso, basado en el peso de las cenizas volantes, en cantidades para proporcionar una relación molar de SiO_{2} y Al_{2}O_{3} a CaO de 1 a 2,5:1, a una temperatura de 1200ºC a 1650ºC para formar una escoria fundida de aluminosilicato calcio;

b): añadir a dicha escoria fundida cantidades recientes de dicho polvo de horno de cemento y dichas cenizas volantes que tienen un contenido en carbono de 3 a 30% en peso, basado en el peso de las cenizas volantes;

c): inyectar un gas que contiene oxígeno en el interior de dicha escoria fundida para agitar la escoria fundida y dispersar el gas en su interior y oxidar el contenido de carbono de dichas cenizas volantes en dicha escoria fundida con dicho gas en una reacción exotérmica con generación de calor y subproducto de dióxido de carbono, y aprovechar el calor generado para fundir dichas cantidades recientes para producir una masa fundida engrosada de escoria fundida de aluminosilicato cálcico, y

d): recuperar un cemento de aluminosilicato cálcico a partir de dicha masa fundida engrosada.

16. Un procedimiento según la reivindicación 15, que incluye una etapa de:

e): retirar los gases de combustión calientes que contienen dicho subproducto de dióxido de carbono de dicha masa fundida engrosada y recuperar la energía calorífica de dichos gases de combustión calientes.

17. Un procedimiento según la reivindicación 16, en el que dichas cenizas volantes tienen un contenido en carbono de 5 a 20% en peso.

18. Un procedimiento según las reivindicaciones 15, 16 ó 17, en el que el calor generado por la oxidación del contenido de carbono de dichas cenizas volantes en c) es el calor primario para fundir dichas cantidades recientes para producir dicha masa fundida engrosada.

19. Un procedimiento según las reivindicaciones 15, 16, 17 ó 18, en el que dicha masa fundida inicial se forma en la etapa a) con calor suplementario aplicado y después de lo cual el suministro de dicho calor suplementario se hace de forma discontinua.

20. Un procedimiento según la reivindicación 19, que incluye añadir material carbonoso residual a dicha masa fundida y oxidar dicho material carbonoso residual para generar calor para complementar dicho calor primario en dicha fusión.

21. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 20, en el que la etapa d) comprende formar gotas de dicha masa fundida engrosada, enfriar dichas gotas permitiendo a su vez que las gotas enfriadas se dilaten y solidifiquen y triturar las gotas dilatadas solidificadas hasta una finura de cemento.